JP2012137799A - Laser beam generator and optical device using the same - Google Patents

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  • Optical Modulation, Optical Deflection, Nonlinear Optics, Optical Demodulation, Optical Logic Elements (AREA)

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a small-sized laser beam generator capable of stably oscillating continuous light of a wavelength region of about 200 nm or less at high conversion efficiency.SOLUTION: The light of a wavelength λoutput from a first laser beam generator 10 and the light of a wavelength λoutput from a second laser beam generator 11 are supplied into a first resonator 13 and a second resonator 14, respectively, and the light of a wavelength λis generated by sum frequency blending of the two incident lights in a nonlinear optical element 15 included in both of the first resonator 13 and the second resonator 14. In this case, the lights of the wavelengths λ, λ, λare made incident on and emitted from the nonlinear optical element 15 in a mutually and spatially separated state, and they have mutually different light paths. The lights of the wavelengths λ, λare set so that their optical axes do not completely match with each other, and if the angle of incidence or the angle of emission of one of these lights is the Brewster angle, reflection loss is further reduced.

Description

本発明は、紫外線顕微鏡および各種電子材料、電子部品等の検査装置などの光学装置における光源となるレーザ光発生装置に係り、特に、200nm程度以下の短波長の紫外光を発生するレーザ光発生装置に関する。   The present invention relates to a laser beam generator serving as a light source in an ultraviolet microscope and optical devices such as inspection devices for various electronic materials and electronic components, and more particularly, a laser beam generator that generates ultraviolet light having a short wavelength of about 200 nm or less. About.

レーザ光は、波長および位相が揃った光であるために単色性や指向性に優れ、干渉性を有するという特徴を持つ。また、極めて細く収束させることができ、微小な面積に照射することが可能である。更に、レーザ光は、一般に電波よりも周波数が高く、情報収容能力が大きい。こうした特性から、レーザ光は情報通信処理分野、微細加工分野、計測分野および医療分野など多方面にわたって応用されている。   Since laser light is light having a uniform wavelength and phase, the laser light is excellent in monochromaticity and directivity and has a feature of interference. Moreover, it can be converged very finely and can irradiate a minute area. Furthermore, laser light generally has a higher frequency than radio waves and a large capacity for information accommodation. Due to these characteristics, laser light is applied in various fields such as information communication processing field, microfabrication field, measurement field and medical field.

このようなレーザ光を光源とする装置の性能は、一般に、レーザ光の波長やその出力安定性によって決まる。そのため、従来から短波長のレーザが開発されてきているが、中でも波長が180nm〜204nm程度であるレーザ光については未だ実用時の条件を十分に満足し得る連続光は得られておらず、パルス光のみが用いられていた。このため、連続光、或いはモードロック光のような準連続光が必要とされる光ディスクのマスタリング等の技術分野において180nm〜204nm程度の波長のレーザ光を利用することは困難であり、半導体露光装置や微細構造検査装置においては、パルス光を用いた場合に、その高いピークパワーにより光学系や露光あるいは検査の対象物などが損傷する虞があった。   The performance of a device using such laser light as a light source is generally determined by the wavelength of the laser light and its output stability. For this reason, lasers having a short wavelength have been developed in the past, but continuous light that can sufficiently satisfy the conditions in practical use has not yet been obtained for laser light having a wavelength of about 180 nm to 204 nm. Only light was used. For this reason, it is difficult to use laser light having a wavelength of about 180 nm to 204 nm in a technical field such as mastering of an optical disc that requires continuous light or quasi-continuous light such as mode-locked light. In the fine structure inspection apparatus, when pulsed light is used, there is a possibility that the optical system and the object to be exposed or inspected may be damaged by the high peak power.

なお、波長が204nm程度以上の連続光は、例えば位相整合角で切り出したBBO(ベータ硼酸バリウム;β−BaB2 4 )結晶に408nm以上の波長の光を入射し、第2高調波(Second Harmonic Generation; SHG)を発生させることで比較的容易に得ることができる。ところが、この方法で204nm程度以下の連続光を発生させることは、これまで達成されていない。 For example, continuous light having a wavelength of about 204 nm or more is incident on a BBO (beta-barium borate; β-BaB 2 O 4 ) crystal cut out at a phase matching angle, for example. Harmonic Generation (SHG) can be generated relatively easily. However, generation of continuous light of about 204 nm or less by this method has not been achieved so far.

一方、近赤外光と紫外光(200〜400nm程度)との和周波により、より波長の短い紫外線(200nm程度以下)を連続発振させる方法が報告されてきている。例えば、アルゴンイオンレーザのSHGとチタンサファイアレーザ光とを共に非線形光学結晶に入射することによって第3の波長である194nmの光を発生させる装置がWatanabeらより提案されている(非特許文献1参照)。また、特許文献1では、YAGレーザの4次高調波とチタンサファイアレーザ光との和周波混合により第3の波長である193nmの光を発生させる装置が提案されている。これらの技術は、上記の2つの入力波を共に共振させることにより変換効率を向上させるものであり、共振器内の光路の一部が2つの入力波により共有される構造となっている。   On the other hand, there has been reported a method of continuously oscillating ultraviolet rays having a shorter wavelength (about 200 nm or less) using the sum frequency of near infrared light and ultraviolet light (about 200 to 400 nm). For example, Watanabe et al. Have proposed a device that generates 194 nm light, which is the third wavelength, by making both an argon ion laser SHG and titanium sapphire laser light enter a nonlinear optical crystal (see Non-Patent Document 1). ). Patent Document 1 proposes an apparatus that generates light having a third wavelength of 193 nm by sum frequency mixing of the fourth harmonic of a YAG laser and titanium sapphire laser light. These techniques improve the conversion efficiency by resonating the above two input waves together, and have a structure in which a part of the optical path in the resonator is shared by the two input waves.

特開平10−341054号公報Japanese Patent Laid-Open No. 10-341054

M.Watanabe et.al.,Optics Communications,vol.97,pp.225-227(1993)M.Watanabe et.al., Optics Communications, vol.97, pp.225-227 (1993)

しかしながら、共有される光路上に配置される光学部品を、入力波それぞれの波長に対して同時に低損失条件を満足させるようにコーティングすることは極めて難しい。従って、このような構造では、共振器フィネスが低下して、効率よく波長変換することが困難であるという問題があった。例えば、Watanabe他による実験結果では、共振器による紫外光の増倍率は5倍程度に抑えられている。   However, it is extremely difficult to coat the optical components arranged on the shared optical path so as to satisfy the low-loss condition at the same time for each wavelength of the input wave. Therefore, such a structure has a problem that the resonator finesse is lowered and it is difficult to efficiently perform wavelength conversion. For example, in the experimental result by Watanabe et al., The multiplication factor of the ultraviolet light by the resonator is suppressed to about 5 times.

また、後者の例では、発生した第3の波長の紫外光は波長分離ミラーにより2つの入射光から分離されるようになっている。このミラーにおいても、2入力波に対して高反射であると同時に出力波に対し高透過であることが要求され、先の場合と同様、そのようなミラーの実現は難しく、効率よい波長変換を行なうことが困難であった。また、この場合では、出力光強度を増大させると、高強度の2つの紫外線が同軸光路上に重なるために装置の破壊をまねく虞があった。このような高出力の場合に光学系の紫外線耐久力を確保しようとすると、この要求によりコーティング材料が限定され、変換効率の低下につながりかねない。   In the latter example, the generated ultraviolet light having the third wavelength is separated from the two incident lights by the wavelength separation mirror. This mirror is also required to be highly reflective with respect to two input waves and at the same time have high transmission with respect to the output wave. As in the previous case, it is difficult to realize such a mirror, and efficient wavelength conversion is achieved. It was difficult to do. In this case, if the output light intensity is increased, two high-intensity ultraviolet rays overlap with each other on the coaxial optical path, which may cause destruction of the apparatus. In order to ensure the ultraviolet durability of the optical system at such a high output, the coating material is limited by this requirement, which may lead to a decrease in conversion efficiency.

更に、これらの技術において用いられているチタンサファイアレーザは同調周波数範囲が極めて広いために、その絶対波長を長期的に安定化するには、参照共振器にロックしたり気体の吸収線を参照したりする必要があり、装置の複雑化をまねいていた。   In addition, the titanium sapphire lasers used in these technologies have a very wide tuning frequency range, so they can be locked to a reference resonator or referenced to gas absorption lines to stabilize their absolute wavelength over time. It has been necessary to make the device more complicated.

本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、200nm程度以下の波長域の連続光を高い変換効率で安定して発振することができ、小型化が可能なレーザ光発生装置およびこれを用いた光学装置を提供することにある。   The present invention has been made in view of such problems, and an object of the present invention is to provide a laser beam generator capable of stably oscillating continuous light in a wavelength region of about 200 nm or less with high conversion efficiency, and capable of being downsized. And providing an optical apparatus using the same.

本発明によるレーザ光発生装置は、第1の波長のレーザ光を出力する第1のレーザ発生器および第1の波長のレーザ光を共振させる第1の共振器と、第2の波長のレーザ光を出力する第2のレーザ発生器および第2の波長のレーザ光を共振させる第2の共振器と、第1の共振器および第2の共振器に含まれるように配置され、かつ、両端に第1の波長のレーザ光および第2の波長のレーザ光が入射する入射面と出射する出射面とをそれぞれ有する非線形光学素子とを備え、非線形光学素子の内部を通過する第1の波長のレーザ光と第2の波長のレーザ光との和周波混合により第3の波長のレーザ光を発生するレーザ光発生装置において、第1の波長のレーザ光および第2の波長のレーザ光の非線形光学素子に対する入射角は波長に対応したブリュースター角であり、かつ、非線形光学素子は、タイプ1の位相整合を行なうものであり、第1の波長のレーザ光および第2の波長のレーザ光はビーム中心軸が互いに空間的に分離した状態で入射面より非線形光学素子に入射され、第1の波長のレーザ光、第2の波長のレーザ光および第3の波長のレーザ光はビーム中心軸が互いに空間的に分離した状態で出射面より出射されて、それぞれが異なる光路を有し、かつ、非線形光学素子の内部において、第1の波長のレーザ光および第2の波長のレーザ光は部分的にビームが重なるが、光軸は共有せず、第1の波長のレーザ光および第2の波長のレーザ光の非線形光学素子に対する入射角の差(分離角Δθ)は、非線形光学素子に対する第1の波長のレーザ光および第2の波長のレーザ光の入射光のビーム発散角(φ)の2倍よりも大きいものである。   A laser light generator according to the present invention includes a first laser generator that outputs laser light having a first wavelength, a first resonator that resonates laser light having a first wavelength, and laser light having a second wavelength. Are arranged so as to be included in the first resonator and the second resonator, and are arranged at both ends of the second laser generator and the second resonator for resonating the laser light of the second wavelength. A first wavelength laser that includes a nonlinear optical element having an incident surface on which a laser beam having a first wavelength and a laser beam having a second wavelength are incident and an exit surface that emits the laser beam, and passes through the inside of the nonlinear optical element. Non-linear optical element of laser light of first wavelength and laser light of second wavelength in laser light generator for generating laser light of third wavelength by sum frequency mixing of light and laser light of second wavelength The incident angle with respect to The non-linear optical element is a type 1 phase matching and has a beam center axis spatially separated from each other in the first wavelength laser beam and the second wavelength laser beam. The laser light having the first wavelength, the laser light having the second wavelength, and the laser light having the third wavelength are incident on the nonlinear optical element from the incident surface with the beam center axes spatially separated from each other. The first wavelength laser beam and the second wavelength laser beam partially overlap each other within the nonlinear optical element, but the optical axes are not shared. First, the difference in incident angle (separation angle Δθ) between the laser light of the first wavelength and the laser light of the second wavelength with respect to the nonlinear optical element is the difference between the laser light of the first wavelength and the second wavelength of the nonlinear optical element. Laser light input It is larger than twice the beam divergence angle of light (phi).

本発明によるレーザ光発生装置では、第1の波長のレーザ光と第2の波長のレーザ光が互いに異なる入射角で非線形光学素子に入射されるので、それぞれの波長に応じた入射条件が定められ、第1および第2のそれぞれの共振器損失が低減する。このような第1の波長のレーザ光と第2の波長のレーザ光は、非線形光学素子に対し同一の屈折角を有する場合には、その内部で光軸が互いに平行となり、屈折角が異なる場合には、その内部で光軸は一致せず、和周波混合のために両者のビームが一部重畳される以外には光路を共有しない。   In the laser beam generator according to the present invention, the laser beam having the first wavelength and the laser beam having the second wavelength are incident on the nonlinear optical element at different incident angles, so that incident conditions corresponding to the respective wavelengths are determined. The first and second resonator losses are reduced. When the laser light of the first wavelength and the laser light of the second wavelength have the same refraction angle with respect to the nonlinear optical element, the optical axes are parallel to each other and the refraction angles are different. The optical axes do not coincide with each other, and the beams are not shared except for the partial superposition of the beams for the sum frequency mixing.

本発明による光学装置は、本発明のレーザ光発生装置を備えたものであり、顕微鏡、各種の分析・検査装置およびディスクマスタリング装置などに応用される。   The optical apparatus according to the present invention includes the laser beam generator according to the present invention, and is applied to a microscope, various analysis / inspection apparatuses, a disk mastering apparatus, and the like.

本発明のレーザ光発生装置によれば、第1の波長のレーザ光と第2の波長のレーザ光は互いに空間的に分離した状態で、かつ所定の条件を満たし、入射面より非線形光学素子に入射され、第1の波長のレーザ光と第2の波長のレーザ光、および第3の波長のレーザ光は、互いに空間的に分離した状態で出射面より出射され、それぞれが異なる光路を有し、かつ、非線形光学素子の内部において、第1の波長のレーザ光および第2の波長のレーザ光は部分的にビームが重なるが、光軸は共有しないようにしたので、光学損失を大きく低減し、和周波混合における波長変換効率または和周波である第3の波長のレーザ光の出力を向上させることができる。   According to the laser beam generator of the present invention, the laser beam having the first wavelength and the laser beam having the second wavelength are spatially separated from each other, satisfy a predetermined condition, and are changed from the incident surface to the nonlinear optical element. The incident laser beam having the first wavelength, the second wavelength laser beam, and the third wavelength laser beam are emitted from the emission surface in a state of being spatially separated from each other, and each has a different optical path. In addition, inside the nonlinear optical element, the laser light of the first wavelength and the laser light of the second wavelength partially overlap, but the optical axis is not shared, so that the optical loss is greatly reduced. In addition, the wavelength conversion efficiency in the sum frequency mixing or the output of the laser light having the third wavelength which is the sum frequency can be improved.

また、3つのレーザ光がそれぞれ異なる光路を有することから、第1の共振器および第2の共振器はその内部の光路を共有しないように構成されており、一方に損傷が起きても他方において損失が生じることがなく、全体として共振器損失が増大することが防止され、より安定的に長時間動作させることができる。同時に、共振器内の光学素子は複数の波長に対応したコーティングが不要となり、このようなコーティングによる光学損失を省いて簡便に装置を構成することができると共に低コスト化を図ることもできる。   Since the three laser beams have different optical paths, the first resonator and the second resonator are configured not to share the internal optical path. Loss does not occur, and the resonator loss as a whole is prevented from increasing, and can be operated more stably for a long time. At the same time, the optical element in the resonator does not require a coating corresponding to a plurality of wavelengths, so that an optical loss due to such a coating can be omitted and the apparatus can be simply configured and the cost can be reduced.

また、第1の波長のレーザ光および第2の波長のレーザ光は、非線形光学素子に対する入射角と出射角の少なくとも入射角が波長に対応したブリュースター角であるようにしたので、非線形光学素子における反射損失を低減することができる。   Further, since the laser light of the first wavelength and the laser light of the second wavelength are such that at least the incident angle of the incident angle and the outgoing angle with respect to the nonlinear optical element is a Brewster angle corresponding to the wavelength, the nonlinear optical element The reflection loss in can be reduced.

特に、レーザ光発生装置を固体レーザ装置として構成されるようにすれば、200nm程度以下の波長領域で連続発光する深紫外光を、小型の装置でエネルギー効率よく、高い信頼性で安定して得ることができる。   In particular, if the laser light generator is configured as a solid-state laser device, deep ultraviolet light that continuously emits light in a wavelength region of about 200 nm or less can be obtained stably and efficiently with high efficiency by a small device. be able to.

また、本発明の光学装置によれば、本発明のレーザ発生装置を備えるようにしたので、200nm程度以下の波長領域で連続発光する深紫外光を光源としたエネルギー効率よく、動作安定性の高い装置とすることができる。   In addition, according to the optical device of the present invention, since the laser generator of the present invention is provided, the energy efficiency is high and the operation stability is high, using deep ultraviolet light that continuously emits light in a wavelength region of about 200 nm or less as a light source. It can be a device.

本発明の第1の実施の形態に係るレーザ光発生装置の構成を表す平面図である。It is a top view showing the structure of the laser beam generator which concerns on the 1st Embodiment of this invention. 図1に示したレーザ光発生装置の非線形光学素子におけるレーザ光の光路の一例である。It is an example of the optical path of the laser beam in the nonlinear optical element of the laser beam generator shown in FIG. 図1に示したレーザ光発生装置における和周波出力の非線形光学素子に対する第2の波長の光の屈折角依存性を示す計算値である。FIG. 3 is a calculated value showing the refraction angle dependency of light of the second wavelength with respect to the nonlinear optical element of the sum frequency output in the laser beam generator shown in FIG. 1. 図1に示したレーザ光発生装置における和周波出力の非線形光学素子に対する第1の波長の光の屈折角依存性を示す計算値である。FIG. 3 is a calculated value showing the refraction angle dependence of light of a first wavelength with respect to a nonlinear optical element with a sum frequency output in the laser light generator shown in FIG. 1. 本発明の第2の実施の形態に係るレーザ光発生装置の構成を表す平面図である。It is a top view showing the structure of the laser beam generator which concerns on the 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第3の実施の形態に係るレーザ光発生装置の構成を表す平面図である。It is a top view showing the structure of the laser beam generator which concerns on the 3rd Embodiment of this invention. 本発明の第4の実施の形態に係る紫外線顕微鏡の構成を表す図である。It is a figure showing the structure of the ultraviolet microscope which concerns on the 4th Embodiment of this invention. 本発明の第5の実施の形態に係るディスクマスタリング装置の構成を表す図である。It is a figure showing the structure of the disk mastering apparatus which concerns on the 5th Embodiment of this invention. 従来のレーザ光発生装置の共振器フィネスについて説明するための図である。It is a figure for demonstrating the resonator finesse of the conventional laser beam generator.

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。なお、説明する順序は、以下の通りである。
1.第1の実施の形態(レーザ光発生装置)
1−1.変形例(第1の実施の形態の変形例)
2.第2の実施の形態(他のレーザ光発生装置)
3.第3の実施の形態(他のレーザ光発生装置)
4.第4の実施の形態(紫外線顕微鏡)
5.第5の実施の形態(ディスクマスタリング装置)
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. The order of explanation is as follows.
1. First embodiment (laser light generator)
1-1. Modified example (modified example of the first embodiment)
2. Second embodiment (another laser beam generator)
3. Third embodiment (another laser beam generator)
4). Fourth embodiment (ultraviolet microscope)
5. Fifth embodiment (disk mastering device)

<1.第1の実施の形態>
図1は本発明の第1の実施の形態に係るレーザ光発生装置の概略構成を表している。本実施の形態に係るレーザ光発生装置1は、第1のレーザ光発生器10と第2のレーザ光発生器11、および、2つのレーザ光発生器10,11から出力された互いに異なる2つの波長のレーザ光を波長変換して第3の波長のレーザ光を出力する波長変換部12により主として構成されている。
<1. First Embodiment>
FIG. 1 shows a schematic configuration of a laser beam generator according to a first embodiment of the present invention. The laser light generator 1 according to the present embodiment includes a first laser light generator 10 and a second laser light generator 11, and two different laser light generators 10 and 11 output from each other. The wavelength converter 12 mainly converts the wavelength of the laser beam having the wavelength and outputs the laser beam having the third wavelength.

第1のレーザ光発生器10は、例えば、250nm以上275nm以下の範囲内の波長(λ1 )の連続紫外光を出力するものであり、ここでは単一周波数発振するものとする。この第1のレーザ光発振器10は、各種のレーザにより構成することが可能である。例えば、旧来より使用されてきたアルゴンイオンレーザ等の気体レーザを用いてSHGを発生させるようにしてもよく、近年実用化が進んできた半導体励起固体レーザを波長変換したレーザであってもよい。後者は、半導体レーザ、半導体レーザアレイ、半導体レーザスタックあるいは半導体レーザ励起固体レーザ等により励起される固体レーザ装置であり、アークランプで励起する従来の方式に比べて効率が高く、冷却装置や電源装置が簡略化できる。また、Nd,Ybなどの希土類イオンを含むNd:YAG,Nd:YVO4,Nd:YLFおよびYb:YAG等のレーザ結晶を用いたレーザ装置を用いて、その4次高調波である250nm以上275nm以下の光を発生するようにしてもよい。なお、第1のレーザ光発生装置10は、マルチモード発振するものであってもよい。 The first laser light generator 10 outputs continuous ultraviolet light having a wavelength (λ 1 ) within a range of 250 nm or more and 275 nm or less, and is assumed to oscillate at a single frequency here. The first laser beam oscillator 10 can be constituted by various lasers. For example, SHG may be generated using a gas laser such as an argon ion laser that has been used from the past, or a laser obtained by wavelength conversion of a semiconductor-excited solid-state laser that has recently been put into practical use. The latter is a solid-state laser device that is excited by a semiconductor laser, a semiconductor laser array, a semiconductor laser stack, a semiconductor laser-pumped solid-state laser, or the like, and has a higher efficiency than a conventional method that is excited by an arc lamp. Can be simplified. Further, using a laser device using a laser crystal such as Nd: YAG, Nd: YVO4, Nd: YLF, and Yb: YAG containing rare earth ions such as Nd and Yb, the fourth harmonic of 250 nm to 275 nm. The light may be generated. The first laser beam generator 10 may be capable of multimode oscillation.

一方、第2のレーザ光発生器11は、例えば、650nm以上785nm以下の範囲内の波長(λ2 )の連続光を出力するものであり、単一周波数で発振する半導体レーザにより構成されている。このとき、半導体レーザの光を高出力化のために半導体増幅器または固体レーザ増幅器で増幅するようにしてもよい。なお、第2のレーザ光発生器11は必ずしも単一周波数のレーザである必要はなく、このレーザ光発生器11として上記の構成以外に半導体励起固体レーザを用いることも可能である。このような第2のレーザ光発生器11には、例えば、チタンサファイアレーザ,アレクサンドライトレーザ,Cr:LiCAFレーザおよびCr:LiSAFレーザ等が用いられ、半導体で直接励起できない場合には半導体励起固体レーザで励起されるレーザを用いることができる。このようなものには、例えば、半導体励起固体レーザ励起のチタンサファイアレーザ,アレクサンドライトレーザ,Cr:LiCAFレーザまたはCr:LiSAFレーザ等が挙げられる。これにより、レーザ光発生装置1を全固体レーザとして構成することが可能である。 On the other hand, the second laser light generator 11 outputs continuous light having a wavelength (λ 2 ) within a range of 650 nm to 785 nm, for example, and is configured by a semiconductor laser that oscillates at a single frequency. . At this time, the semiconductor laser light may be amplified by a semiconductor amplifier or a solid-state laser amplifier in order to increase the output. Note that the second laser light generator 11 is not necessarily a single-frequency laser, and a semiconductor-excited solid-state laser can be used as the laser light generator 11 in addition to the above configuration. For example, a titanium sapphire laser, an Alexandrite laser, a Cr: LiCAF laser, a Cr: LiSAF laser, or the like is used as the second laser light generator 11. A laser excited with can be used. Examples of such a laser include a semiconductor-pumped solid state laser-pumped titanium sapphire laser, an Alexandrite laser, a Cr: LiCAF laser, and a Cr: LiSAF laser. Thereby, the laser beam generator 1 can be configured as an all-solid-state laser.

波長変換部12は、第1のレーザ光発生器10から出力される波長λ1 の光を共振させる第1の共振器13と、第2のレーザ光発生器11から出力される波長λ2 の光を共振させる第2の共振器14、および、これら2つの共振器13,14で増幅された光(λ1 ,λ2 )に対し内部で波長変換して第3の波長(λ3 )の光を発生させる非線形光学素子15を備えている。 The wavelength converter 12 includes a first resonator 13 that resonates light having a wavelength λ 1 output from the first laser light generator 10, and a wavelength λ 2 that is output from the second laser light generator 11. The second resonator 14 that resonates light and the light (λ 1 , λ 2 ) amplified by the two resonators 13 and 14 are internally wavelength-converted to obtain a third wavelength (λ 3 ). A nonlinear optical element 15 for generating light is provided.

なお、ここで第1のレーザ光発生器10と第1の共振器13との間には、例えば、ミラー20と光学素子21が配設される。ミラー20は、必要に応じて使用され、2枚以上であってもよい。また、光学素子21は、波長λ1 の光を第1の共振器13にモードマッチさせるためのものであり、複数用いてもよい。具体的には、レンズ、ミラー、ビーム整形プリズムおよびこれらを組合せたものが用いられる。また、第2のレーザ光発生器11と第2の共振器14との間には、例えば、光学素子22,ミラー23、光学素子24が配設される。これらは、波長λ2 の光をモードマッチした状態で第2の共振器14に入射するためのものである。 Here, for example, a mirror 20 and an optical element 21 are disposed between the first laser beam generator 10 and the first resonator 13. The mirror 20 is used as needed, and may be two or more. The optical element 21 is for mode-matching the light having the wavelength λ 1 to the first resonator 13, and a plurality of optical elements 21 may be used. Specifically, a lens, a mirror, a beam shaping prism, and a combination thereof are used. Further, for example, an optical element 22, a mirror 23, and an optical element 24 are disposed between the second laser light generator 11 and the second resonator 14. These are for making the light of wavelength λ 2 enter the second resonator 14 in a mode-matched state.

第1の共振器13は、波長λ1 の光を共振させるために設けられた外部共振器であって、入射ミラー30およびその他3枚のミラー31,32,33から構成され、ミラー32とミラー33との間には非線形光学素子15が配されている。ここで、入射ミラー30はインピーダンスマッチングのために反射率を最適化されていることが望ましい。このような第1の共振器13は、モードマッチとインピーダンスマッチが両立した状態にあり、周回の光路長(共振器長)がある値のときに共振し、更にこの光路長が波長λ1 だけ変化するごとに共振状態となる。しかし、共振器を充分堅固に構成することが困難であり、温度変化が小さくないかぎり、共振状態は保持されるとは限らない。従って、FMサイドバンド法、偏光法等による共振保持のためのサーボ機構を設けるようにすることが好ましく、これに、PZT素子,VCM素子,電気光学効果を有する結晶などの共振器長調整手段を組み合わせて用いることが望ましい。 The first resonator 13 is an external resonator provided to resonate light having a wavelength λ 1 , and includes an incident mirror 30 and three other mirrors 31, 32, and 33. A non-linear optical element 15 is disposed between the first and second optical elements 33. Here, it is desirable that the reflectance of the incident mirror 30 is optimized for impedance matching. Such a first resonator 13 is in a state in which mode match and impedance match are compatible, and resonates when the optical path length of the circuit (resonator length) is a certain value, and this optical path length is only the wavelength λ 1. Each time it changes, it becomes a resonance state. However, it is difficult to configure the resonator sufficiently firmly, and the resonance state is not always maintained unless the temperature change is small. Accordingly, it is preferable to provide a servo mechanism for holding resonance by the FM sideband method, polarization method, etc., and to this, a resonator length adjusting means such as a PZT element, a VCM element, a crystal having an electro-optic effect is provided. It is desirable to use in combination.

但し、第1の波長λ1 は波長250nm以上275nm以下の深紫外線であるために、通常使用されるKTP,LiNbO3 などの変調器では透過率が低く、適当ではない。また、この程度の波長で透過率の高い電気光学素子であるBBO結晶などは、電気光学定数が小さいため、位相変調器としても光路長の調節器としても、高電圧で駆動する必要がある。このような理由から、第1の共振器13の共振を保持する方法としては、主に偏光法が利用される。 However, since the first wavelength λ 1 is deep ultraviolet light having a wavelength of 250 nm or more and 275 nm or less, a normally used modulator such as KTP or LiNbO 3 has low transmittance and is not suitable. In addition, since the BBO crystal, which is an electro-optic element having a high transmittance at such a wavelength, has a small electro-optic constant, it needs to be driven at a high voltage as both a phase modulator and an optical path length adjuster. For this reason, the polarization method is mainly used as a method for maintaining the resonance of the first resonator 13.

第2の共振器14は、波長λ2 の光を共振させるために設けられた外部共振器であって、入射ミラー40およびその他3枚のミラー41,42,43から構成され、ミラー40とミラー41との間に非線形光学素子15が配されている。ここでは、第2の共振器14もまた第1の共振器13と同様の構成であり、同様に入射ミラー40の反射率をインピーダンスマッチングするような値とすることが望ましい。また、FMサイドバンド法、偏光法等を用いたり、PZTなどの共振器長調整手段を用いたりすることも第1の共振器の場合と同様に好ましい。 The second resonator 14 is an external resonator provided to resonate light having a wavelength λ 2 , and includes an incident mirror 40 and three other mirrors 41, 42, and 43. 41, the nonlinear optical element 15 is arranged. Here, the second resonator 14 also has the same configuration as that of the first resonator 13, and similarly, it is desirable to set the reflectance of the incident mirror 40 to a value that impedance matches. It is also preferable to use an FM sideband method, a polarization method, or the like, or use a resonator length adjusting means such as PZT, as in the case of the first resonator.

更に、1つの非線形光学素子15が、このような2つの共振器41,42のそれぞれに含まれるように配置されており、共振する波長λ1 の光および波長λ2 の光がその内部を通過するようになっている。この非線形光学素子15は、和周波混合を行うためのものであり、共振する波長λ1 の光および波長λ2 の光を取り込み、これらを混合して第3の波長λ3 の光を発生させる。そのため、非線形光学素子15からは第3の波長λ3 の光が出力されると共に、波長λ1 の光および波長λ2 の光もまた出射され、それぞれミラー33,ミラー41で反射されて再びミラー41,42に戻される。このような非線形光学素子15は、例えば、BBO(β−BaB2 4 ),CLBO(CsLiB6 10),SBBO(Sr2 Be2 2 7 ),KBBF(KBe2 BO3 2 )のうちのいずれかの結晶により構成されている。 Furthermore, one non-linear optical element 15 is arranged so as to be included in each of the two resonators 41 and 42, and the resonating light of wavelength λ 1 and light of wavelength λ 2 pass through the inside thereof. It is supposed to be. This non-linear optical element 15 is for performing sum frequency mixing, takes in light of wavelength λ 1 and light of wavelength λ 2 that resonate, and mixes them to generate light of the third wavelength λ 3 . . Therefore, the nonlinear optical element 15 outputs the light of the third wavelength λ 3 , and the light of the wavelength λ 1 and the light of the wavelength λ 2 are also emitted, reflected by the mirror 33 and the mirror 41, respectively, and then mirrored again. 41, 42. Such a nonlinear optical element 15 includes, for example, BBO (β-BaB 2 O 4 ), CLBO (CsLiB 6 O 10 ), SBBO (Sr 2 Be 2 B 2 O 7 ), KBBF (KBe 2 BO 3 F 2 ). Of any one of these crystals.

図2は、非線形光学素子15に波長λ1 、波長λ2 および波長λ3 の光が入射・出射される様子を表している。このように、本実施の形態では、波長λ1 の光と波長λ2 の光が互いに空間的に分離した状態で入射面15aより非線形光学素子15に入射され、波長λ1 、波長λ2 および波長λ3 の光が互いに空間的に分離した状態で出射面15bより出射され、それぞれが異なる光路を有するようになっている。すなわち、非線形光学素子15の内部においては、和周波混合を行なうという要請から波長λ1 の光と波長λ2 の光は部分的にビームが重なることになるが、光軸を共有するものではない。その理由は、1つの光軸を異なる波長の光が共有すると、その光路上の全ての光学素子は通過する全ての波長に対し損失低減のための条件を同時に満たさねばならず、このような仕様の設定が困難であること、共有される光軸に重畳される紫外光により容易に引き起こされる光学素子の表面および内部の欠陥や素子のコーティング材の損傷を回避すると共に、各波長毎に光路を分散させて1つの波長の光路上に派生した損失因子が他の波長の光に損失を及ぼさないようにすることなどである。 FIG. 2 shows a state in which light having wavelengths λ 1 , λ 2, and λ 3 is incident on and emitted from the nonlinear optical element 15. As described above, in the present embodiment, the light of wavelength λ 1 and the light of wavelength λ 2 are incident on the nonlinear optical element 15 from the incident surface 15a in a state of being spatially separated from each other, and the wavelengths λ 1 , λ 2 and The light of wavelength λ 3 is emitted from the emission surface 15b in a state of being spatially separated from each other, and each has a different optical path. That is, in the nonlinear optical element 15, the light of the wavelength λ 1 and the light of the wavelength λ 2 partially overlap each other because of the request to perform sum frequency mixing, but they do not share the optical axis. . The reason for this is that when light of different wavelengths is shared by one optical axis, all optical elements on the optical path must simultaneously satisfy the conditions for loss reduction for all wavelengths passing through. Is difficult to set, and avoids optical surface and internal defects and damage to the coating material of the optical element that are easily caused by ultraviolet light superimposed on the shared optical axis. For example, the loss factor derived on the optical path of one wavelength does not cause a loss to the light of another wavelength.

非線形光学素子15の外部における波長λ1 の光と波長λ2 の光との空間的分離は、これらの光の入射角または出射角の少なくとも一方が30°以上であるように設定すると、分散や複屈折(屈折率の偏光依存性)により達成することができる。ここでは、入射面15aにおける波長λ1 の光と波長λ2 の光の入射角は、ブリュースター角θB となっている。ブリュースター角とは、この角度で入射した偏光のs成分とp成分のうちp成分の反射が0となる角度であり、入射面15aにおける屈折率をnとすると、
θB =tan-1(n)
で表される。屈折率nは波長や偏光状態によって異なる値をとり、ここで波長λ1 の光と波長λ2 の光はそれぞれの波長に対応した角度θB で入射面15aに入射される。これにより、波長λ1 の光と波長λ2 の光を共にp偏光として非線形光学素子15における反射損失を低減することができる。
The spatial separation of the light of wavelength λ 1 and the light of wavelength λ 2 outside the nonlinear optical element 15 is set such that at least one of the incident angle and the emission angle of these lights is 30 ° or more. This can be achieved by birefringence (polarization dependence of refractive index). Here, the incident angles of the light of wavelength λ 1 and the light of wavelength λ 2 on the incident surface 15a are the Brewster angle θ B. The Brewster angle is an angle at which the reflection of the p component of the s component and p component of polarized light incident at this angle is 0, and the refractive index at the incident surface 15a is n.
θ B = tan −1 (n)
It is represented by The refractive index n varies depending on the wavelength and polarization state. Here, the light of wavelength λ 1 and the light of wavelength λ 2 are incident on the incident surface 15 a at an angle θ B corresponding to each wavelength. As a result, the reflection loss in the nonlinear optical element 15 can be reduced by using both the light of wavelength λ 1 and the light of wavelength λ 2 as p-polarized light.

なお、入射面15aにおける波長λ1 の光と波長λ2 の光の入射角を、完全にブリュースター角θB に一致させる必要はなく、例えば角度θB ±5°程度の範囲内であるような角度θB 付近の角度に選ぶこともできる。この場合にはp偏光の反射損失は0ではないが、反射損失を小さくすることができる。また、出射面15bについても同様にして出射角を選ぶことができる。 It is not necessary for the incident angles of the light of wavelength λ 1 and the light of wavelength λ 2 on the incident surface 15a to completely coincide with the Brewster angle θ B , for example, within the range of the angle θ B ± 5 °. It is also possible to select an angle near the angle θ B. In this case, the reflection loss of p-polarized light is not zero, but the reflection loss can be reduced. Similarly, the exit angle can be selected for the exit surface 15b.

次に、以上のような入射角または出射角の設定方法と効果について、具体例を挙げて説明する。   Next, the setting method and effect of the above incident angle or output angle will be described with specific examples.

上記のように角度θB やその付近の角度で光を入射・出射させる場合であっても結晶内部で透過光が同軸光路を有するように設定すると、波長λ1 の光と波長λ2 の光は、分散のために両方が角度θB またはその近傍から入射されることはない。従って、結晶端面における反射損はわずかながら存在する。この反射損は、共振器内を周回して倍増し、共振器損失を増加させる。例えば、波長266nmの光を完全に角度θB に合致した入射角でBBO結晶に入射し、同じくBBO結晶に入射された波長707nmの光と結晶内部で同軸光路を有するように設定すると、波長707nmの光の反射損は面あたり0.185%となり、この光を定在波型共振器に投入すると、損失は往復で0.740%となる。逆に、波長707nmの光を完全に角度θB に合致した入射角でBBO結晶に入射し、波長266nmの光と結晶内部で同軸光路を有するように設定すると、波長266nmの光の反射損は面あたり0.48%となり、この光をリング型共振器に入力すると、損失は周回で0.96%となる。 Even if light is incident / exited at an angle θ B or an angle near the angle θ B as described above, if the transmitted light is set to have a coaxial optical path inside the crystal, the light of wavelength λ 1 and the light of wavelength λ 2 Are not incident at or near the angle θ B due to dispersion. Therefore, there is a slight reflection loss at the crystal end face. This reflection loss circulates inside the resonator and doubles to increase the resonator loss. For example, when light having a wavelength of 266 nm is incident on the BBO crystal at an incident angle that completely matches the angle θ B and is set so as to have a coaxial optical path inside the crystal and the light of wavelength 707 nm that is also incident on the BBO crystal, the wavelength 707 nm. The reflection loss of the light is 0.185% per surface, and when this light is input to the standing wave resonator, the loss is 0.740% in the round trip. Conversely, when light having a wavelength of 707 nm is incident on a BBO crystal at an incident angle that perfectly matches the angle θ B and is set to have a coaxial optical path inside the crystal with the light having a wavelength of 266 nm, the reflection loss of the light having a wavelength of 266 nm is When the light is input to the ring resonator, the loss becomes 0.96% in the round.

この種の反射損の発生を回避するためには、結晶内部で透過光が互いに空間的に分離した状態となるように設定することが必要である。そこで、波長266nmの光と波長707nmの光それぞれの角度θB の間の範囲から入射角を選んで双方とも角度θB ではない角度で入射するようにし、それぞれの光に損失が分配される場合を考える。なお、波長266nmの光のθB は60.4°、波長707nmの光のθB は59.0°であり、2つの波長のθB は異なってはいるものの、かなり近い値を持つので、このようにして1つの入射角を選んでもそれぞれのθB に対してよい近似となっている。この場合には、例えば、波長266nmの光の反射損は面あたり0.3%、波長707nmの光の反射損は面あたり0.1%とすることができ、上述の場合に比べ合計損失が低下する。ちなみに、上述のような構成の従来の和周波発生装置では、共振器の増倍率は5倍程度であったが、このような構成とした装置における共振器の倍増率は約30倍以上に向上させることが可能となる。これをフィネスに換算すると、およそ100以上に相当する。 In order to avoid the occurrence of this type of reflection loss, it is necessary to set so that transmitted light is spatially separated from each other inside the crystal. Therefore, when the incident angle is selected from the range between the angles θ B of the light of wavelength 266 nm and the light of wavelength 707 nm, both are incident at an angle other than the angle θ B , and loss is distributed to each light. think of. Incidentally, theta B is 60.4 ° for light having a wavelength of 266 nm, theta B light with a wavelength of 707nm is 59.0 °, although theta B of the two wavelengths are in different, because they have very close values, Thus, even if one incident angle is selected, it is a good approximation for each θ B. In this case, for example, the reflection loss of light with a wavelength of 266 nm can be 0.3% per surface, and the reflection loss of light with a wavelength of 707 nm can be 0.1% per surface. descend. Incidentally, in the conventional sum frequency generator configured as described above, the multiplication factor of the resonator is about 5 times. However, the multiplication factor of the resonator in the device configured as above is improved to about 30 times or more. It becomes possible to make it. When this is converted into finesse, it corresponds to about 100 or more.

更に反射損を低減させるためには、2つの透過光が互いに空間的に分離するように設定すると同時に、2つの波長の光をそれぞれ対応する角度θB にできるだけ漸近させた角度で入射するとよい。本実施の形態のように2つの波長の光を共に角度θB で入射するときにはじめてp成分の反射損は共に0となり、損失が最小となる。 In order to further reduce the reflection loss, it is preferable that the two transmitted lights are set so as to be spatially separated from each other, and at the same time, light of two wavelengths is incident at an angle as close as possible to the corresponding angle θ B. Only when light of two wavelengths is incident at an angle θ B as in the present embodiment, the reflection loss of the p component is both 0 and the loss is minimized.

ただし、角度θB で入射することによって損失が低減されるのは、偏光のp成分のみであり、s偏光には有効ではない。そこで、非線形光学素子15をタイプ1の位相整合とすると、2つの入射光の双方を容易にp成分とすることが可能となり、好ましい。以上のような損失の観点からみると、ここでの非線形光学素子15は、2つの共振器13,14において1種のフィルターとして機能して積極的に共振器損失を抑制するものとみなすことができ、入射光のパワーを保持あるいは増幅して結果的に和周波出力に寄与するようになっている。 However, it is only the p component of the polarized light that is reduced by incidence at an angle θ B , and is not effective for s-polarized light. Therefore, it is preferable that the nonlinear optical element 15 is of type 1 phase matching because both of the two incident lights can be easily converted to the p component. From the viewpoint of loss as described above, the nonlinear optical element 15 here can be regarded as one that functions as one type of filter in the two resonators 13 and 14 and actively suppresses the resonator loss. In other words, the power of the incident light is held or amplified and consequently contributes to the sum frequency output.

また、このように波長λ1 の光および波長λ2 の光を空間的に分離させ、かつ、これらを角度θB で入射することによって、第1の共振器13および第2の共振器14の少なくとも一方のフィネスを100以上とすることが可能となる。一般に、共振器内におけるフィネスは、
F=π(R1 m 1/4 /{1−(R1 m 1/2 } …(1)
(R1 ;入射ミラー反射率、Rm ;共振器内のその他のミラーおよび光学素子における光有効利用率の積)
により与えられる。光有効利用率は、ミラーでは反射率であり、光学素子では透過率である。ここでR1 をインピーダンスマッチングがとれるように選択できた場合には、
1 =Rm ≡R
であり、R〜1においては、
F〜π/(1−R) …(2)
となる。例えば、第1の共振器において、入射ミラー30をほぼR1 =Rm となるように選び、角度θB で入射するために非線形光学素子15における損失が無視できるとする。このとき、式(2)によれば、その他のミラー31〜33の反射率Rm が約97%以上でF値を100以上とすることができる。反射率R1 ,Rm を97%またはそれ以上とすることは現実に可能であり、非線形光学素子15における吸収・散乱を考慮してもF値を100以上とすることは充分に実現可能である。更に、反射率R1 ,Rm を99%以上としたり、非線形光学素子15として例えば直接法(C2法)引上げによって製造された高品質のBBO結晶を用いて非線形光学素子15における吸収・散乱を0.5%以下にしたりするなどのうえで入射ミラー30の反射率を高くすると、F値を300以上もの高い値とすることができる。これは、第2の共振器についても同様である。
Further, the light of wavelength λ 1 and the light of wavelength λ 2 are spatially separated in this way, and these are made incident at an angle θ B , so that the first resonator 13 and the second resonator 14 At least one finesse can be 100 or more. In general, finesse in a resonator is
F = π (R 1 R m ) 1/4 / {1- (R 1 R m ) 1/2 } (1)
(R 1 ; incident mirror reflectivity, R m ; product of effective light utilization in other mirrors and optical elements in the resonator)
Given by. The effective light utilization rate is a reflectance for a mirror and a transmittance for an optical element. If R 1 can be selected so that impedance matching can be taken,
R 1 = R m ≡R
And in R-1
F to π / (1-R) (2)
It becomes. For example, in the first resonator, it is assumed that the incident mirror 30 is selected so as to be approximately R 1 = R m and incident at an angle θ B so that the loss in the nonlinear optical element 15 can be ignored. At this time, according to the formula (2), the reflectance R m of the other mirrors 31 to 33 can be about 97% or more and the F value can be 100 or more. It is actually possible to set the reflectances R 1 and R m to 97% or more, and even if absorption / scattering in the nonlinear optical element 15 is taken into account, it is sufficiently possible to make the F value 100 or more. is there. Further, the reflectance R 1 , R m is set to 99% or more, and the non-linear optical element 15 is absorbed and scattered by using a high-quality BBO crystal manufactured by, for example, pulling up the direct method (C2 method). If the reflectance of the incident mirror 30 is increased, for example, by setting it to 0.5% or less, the F value can be increased to as high as 300 or more. The same applies to the second resonator.

なお、このような共振器のフィネスを100以上とするレーザ光発生装置は、実際には、本実施の形態における構造上の要件(すなわち波長λ1 の光および波長λ2 の光を非線形光学素子15に対して角度θB またはその付近の角度で入射する)を満たして初めて得ることができるものである。例えば、特開平10−341054号公報に記載されている従来のレーザ光発生装置では、図9のようにミラー1223からミラー1224までの光路は第1の共振器および第2の共振器により共有されており、この光路上の2つのレーザ光は前述したように共にBBO結晶1226に角度θB で入射されることはない。よって、BBO結晶1226の結晶端面において必ず反射損失が生じる。BBO結晶1226に減反射コーティングを施すとしても、残留反射のためにその透過率はおよそ95%が技術的限界と考えられる。 It should be noted that such a laser beam generator having a resonator finesse of 100 or more actually has structural requirements in the present embodiment (that is, the light of wavelength λ 1 and the light of wavelength λ 2 are converted into nonlinear optical elements. 15 is incident only at an angle θ B or an angle near the angle θ B. For example, in the conventional laser beam generator described in Japanese Patent Laid-Open No. 10-341054, the optical path from the mirror 1223 to the mirror 1224 is shared by the first resonator and the second resonator as shown in FIG. The two laser beams on this optical path are not incident on the BBO crystal 1226 at the angle θ B as described above. Therefore, a reflection loss always occurs at the crystal end face of the BBO crystal 1226. Even if the BBO crystal 1226 is provided with a reduced reflection coating, the transmittance is considered to be about 95% due to residual reflection, which is considered a technical limit.

そのうえ、この場合には、ミラー1223,1224に対して波長λ1 の光を反射すると共に波長λ2 の光を透過するように反射率と透過率の2つの条件を操作する必要がある。実際に分離ミラー1223,1224を作製する場合、波長λ2 の光を例えば98%以上透過するように設定すると、波長λ1 の光に対する反射率の上限は99%程度と見積もられる。従って、第1の共振器においては、残るミラー1222の反射率が例えば99.5%程度に高いものであったとしても、Rm =(0.99)2 ×0.995×0.95より、Rm は約92.6%が上限とみなされる。そこでR1 =Rm =0.926となるようにR1 を選ぶと、式(2)より第1の共振器のフィネスは13.2と見積もられる。 In addition, in this case, it is necessary to manipulate the two conditions of reflectance and transmittance so that the light having the wavelength λ 1 is reflected and the light having the wavelength λ 2 is transmitted to the mirrors 1223 and 1224. When the separation mirrors 1223 and 1224 are actually manufactured, if the light with the wavelength λ 2 is set to transmit, for example, 98% or more, the upper limit of the reflectance with respect to the light with the wavelength λ 1 is estimated to be about 99%. Therefore, in the first resonator, even if the reflectance of the remaining mirror 1222 is as high as 99.5%, for example, R m = (0.99) 2 × 0.995 × 0.95 , R m is considered to have an upper limit of about 92.6%. Therefore, when R 1 is selected so that R 1 = R m = 0.926, the finesse of the first resonator is estimated to be 13.2 from Equation (2).

第1の共振器のRm を更に大きくするには、(1)BBO結晶1226の両端面を角度θB にカットし、レーザ光の入射角を角度θB とする、(2)分離ミラー1223,1224の第1の波長の光に対する反射率を上げる、(3)入射ミラー1221における反射率R1 を大きくするという方策が考えられる。しかし、(2)では、逆に第2の波長の光に対する透過率が低下し、(3)では第2の共振器のフィネスを大きく損なうことになり、総合効率が減少する。ちなみに、総合効率を犠牲にして99%とR1 をぎりぎりまで大きくしても、第1の共振器のフィネスFは73.8%であり、このような構造のレーザ光発生装置では共振器フィネスを100以上とすることが実質的に困難であることがわかる。 To further increase the R m of the first resonator (1) both end faces of the BBO crystal 1226 is cut at an angle theta B, the incident angle of the laser beam and the angle theta B, (2) separation mirror 1223 , 1224 to increase the reflectance of the first wavelength light, and (3) to increase the reflectance R 1 of the incident mirror 1221. However, in (2), on the contrary, the transmittance for the light of the second wavelength is lowered, and in (3), the finesse of the second resonator is greatly impaired, and the overall efficiency is reduced. Incidentally, increasing the overall efficiency until the last minute of 99% and R 1 at the expense, finesse F of the first resonator is 73.8% resonator with laser light generating apparatus having such a structure finesse It can be seen that it is substantially difficult to set the value to 100 or more.

また、前述したWatanabeらによる従来の装置では、分離ミラーの替わりにプリズムが用いられており、フィネスが向上するようになってはいるが、入射ミラーの反射率R1 が10%であることからRm はおよそ82%、フィネスは20程度と見積もられる。このようにフィネスが低い値となるのは、用いられるプリズムやBBO結晶(フラックス法により作製)の品質にもよるが、最大の要因はBBO結晶に付設される減反射コート材の2波長に対して設計されるための性能限界と考えられる。 In the above-described conventional apparatus by Watanabe et al., A prism is used in place of the separation mirror, and although finesse is improved, the reflectance R 1 of the incident mirror is 10%. R m is estimated to be approximately 82% and finesse is estimated to be approximately 20. The reason why the finesse is low in this way depends on the quality of the prisms and BBO crystals (made by the flux method) used, but the biggest factor is the two wavelengths of the anti-reflection coating material attached to the BBO crystals. This is considered the performance limit for designing.

これらに対して、Berkeland らによる装置はブリュースターカットBBO結晶を用いて減反射コートによる共振器損失を防止している(D.J.Berkeland,et.al.,Applied Optics,vol.36,No.18,pp4159-4162(1997))。しかし、この場合にはBBO結晶(フラックス法により作製)の品質に起因した内部吸収を考慮するとR1 =91%であり、結果的にフィネスはおよそ51(Rm 〜97.6%)に留まっている。これから、非線形光学素子15として吸収や散乱の少ない高品質の結晶を用いることもフィネス向上の条件となることがわかる。 On the other hand, the apparatus by Berkeland et al. Uses Brewster cut BBO crystal to prevent resonator loss due to the anti-reflection coating (DJ Berkeland, et.al., Applied Optics, vol.36, No.18, pp4159). -4162 (1997)). However, in this case, considering internal absorption due to the quality of the BBO crystal (prepared by the flux method), R 1 = 91%, and as a result, the finesse remains at about 51 (R m -97.6%). ing. From this, it can be seen that the use of a high-quality crystal with little absorption or scattering as the nonlinear optical element 15 is also a condition for improving finesse.

(1−1.変形例)
上記第1の実施の形態のように非線形光学素子15の内部で波長λ1 の光および波長λ2 の光が互いに空間的に分離した状態となるように設定すると、これらのビームの重なりが小さくなり和周波変換効率が低下する可能性がある。しかし、前述の反射損に代表される共振器損失を効果的に低減できれば、変換効率の低下を補って和周波出力を大きくすることも可能である。ここでは、そのような観点から他の入射角または出射角の設定方法について説明する。
(1-1. Modification)
If the light of wavelength λ 1 and the light of wavelength λ 2 are set so as to be spatially separated from each other in the nonlinear optical element 15 as in the first embodiment, the overlapping of these beams is small. There is a possibility that the sum frequency conversion efficiency is lowered. However, if the resonator loss typified by the reflection loss described above can be effectively reduced, the sum frequency output can be increased while compensating for the reduction in conversion efficiency. Here, another method for setting the incident angle or the outgoing angle will be described from such a viewpoint.

さて、損失低減のために結晶内部で透過光が互いに空間的に分離した状態となるように設定する必要があることは前述した通りである。この状態は、実際には波長λ1 の光と波長λ2 の光との入射面15aにおける入射角の差(以下、分離角と呼ぶ)を拡げて、それぞれの屈折角に差を設けることにより実現される。そこで、ここで積極的に分離角を大きくとることを考える。 As described above, it is necessary to set the transmitted light so as to be spatially separated from each other in order to reduce loss. This state is actually obtained by widening the difference in the incident angle (hereinafter referred to as the separation angle) between the light of wavelength λ 1 and the light of wavelength λ 2 on the incident surface 15a and providing a difference in the respective refraction angles. Realized. Therefore, consider actively increasing the separation angle here.

すなわち、波長λ1 の光および波長λ2 の光の2つの入射光が非線形光学素子15の内部で和周波発生に充分寄与できる状態を保ちながら、非線形光学素子15の外部で分離角が大きくなるようにこれら入射光の光路を調節する。ここで、2つの入射光を空間分離するためには、分離角Δθが入射光のビーム発散角φ(相対強度1/e2 全幅)より大きくなることが必要である(Δθ>φ)。更に、非線形光学素子15から出力される波長λ3 の光も充分に分離させるためには、Δθ>2φであることが重要である。但し、分離角Δθをむやみに大きくすると入射光ビームの空間的重なりが小さくなるので注意を要するが、
Lδθ<<D
(L;非線形光学素子15の長さ、δθ;非線形光学素子15の内部での分離角の増分、D;非線形光学素子15の内部における入射光の平均ビーム径)
であるときには和周波出力に大きな影響を与えることはない。また、このときに分離角を位相整合角の非臨界方向(非線形光学素子15の結晶軸のうちc軸となす角度を一定とする方向)にとれば、位相非整合による出力の減少を抑制することができる。
That is, the separation angle is increased outside the nonlinear optical element 15 while maintaining the state in which the two incident lights of the light having the wavelength λ 1 and the light having the wavelength λ 2 can sufficiently contribute to the generation of the sum frequency inside the nonlinear optical element 15. Thus, the optical path of the incident light is adjusted. Here, in order to spatially separate the two incident lights, it is necessary that the separation angle Δθ be larger than the beam divergence angle φ (relative intensity 1 / e 2 full width) of the incident light (Δθ> φ). Furthermore, in order to sufficiently separate the light having the wavelength λ 3 output from the nonlinear optical element 15, it is important that Δθ> 2φ. However, it should be noted that if the separation angle Δθ is increased excessively, the spatial overlap of the incident light beams decreases.
Lδθ << D
(L: length of nonlinear optical element 15, δθ; increment of separation angle inside nonlinear optical element 15, D: average beam diameter of incident light inside nonlinear optical element 15)
In this case, the sum frequency output is not greatly affected. At this time, if the separation angle is set to a non-critical direction of the phase matching angle (a direction in which the angle of the crystal axis of the nonlinear optical element 15 with the c axis is constant), a decrease in output due to phase mismatching is suppressed. be able to.

以下に変形例の一例を示す。ここでは、それぞれの光の波長を、波長λ1 が707nm、波長λ2 が206nmとし、発生する和周波の波長λ3 が193.3nm、非線形光学素子15としてタイプ1で位相整合するBBO結晶を用いている。この波長λ1 および波長λ2 の入射光は、共に直径250μmの平行光であり、出力一定の連続波である。更に、波長λ1 (707nm)と波長λ2 (206nm)の双方において、入射ミラー反射率R1 =0.99、入射ミラーおよびBBO結晶を除く共振器反射率Rm =0.99とし、入射面15aに対し垂直方向に位相整合条件が常に満足されているものとする。また、加藤の Sellmeier方程式(加藤, レーザ研究,vol.18,p3(1990)) より、波長λ1 ,λ2 ,λ3 の非線形光学素子15の入射面15aに対する屈折率は、それぞれ1.6638,1.7585,1.7326となる。なお、和周波出力は、簡単のために非線形光学素子15の内部における波長λ1 および波長λ2 の入射光のビーム強度、および、ビームの空間的重なりの積分に比例するものとする。但し、ここでもビームの空間的重なりとは、両者が光軸を共有していることを意味しない。 An example of a modification is shown below. Here, the wavelength λ 1 is 707 nm, the wavelength λ 2 is 206 nm, the wavelength λ 3 of the generated sum is 193.3 nm, and a BBO crystal that is phase-matched as type 1 as the nonlinear optical element 15 is used here. Used. Both the incident light of wavelength λ 1 and wavelength λ 2 are parallel light having a diameter of 250 μm, and are continuous waves with a constant output. Further, at both the wavelength λ 1 (707 nm) and the wavelength λ 2 (206 nm), the incident mirror reflectivity R 1 = 0.99, and the resonator reflectivity R m = 0.99 excluding the incident mirror and the BBO crystal is incident. It is assumed that the phase matching condition is always satisfied in the direction perpendicular to the surface 15a. Further, from Kato's Sellmeier equation (Kato, Laser Research, vol. 18, p3 (1990)), the refractive indices of the nonlinear optical element 15 of wavelengths λ 1 , λ 2 , and λ 3 with respect to the incident surface 15a are 1.6638, respectively. , 1.7585, 1.7326. For the sake of simplicity, the sum frequency output is assumed to be proportional to the beam intensity of the incident light having the wavelengths λ 1 and λ 2 inside the nonlinear optical element 15 and the integral of the spatial overlap of the beams. Here, however, the spatial overlap of the beams does not mean that they share the optical axis.

(i) 波長λ1 (707nm)の光に対し、入射角を角度θB である59°、屈折角を31°に固定する。次に、この状態で波長λ2 (206nm)の光の入射角を変化させ、和周波出力が最大となる位置で固定する。図3は、この場合の波長λ2 (206nm)の光の屈折角と相対和周波出力との関係を表している。図より、相対和周波出力は、波長λ2 の光の屈折角が30.4°のときに最大となる。これにより、和周波出力には最大値が存在し、分離角Δθについても単に大きければよいのではなく最適値が存在することがわかる。よって、このようにすれば簡便かつ最適条件で2つの入射光の光路を空間的に分離して規定することができる。同時に、波長λ1 の光と波長λ2 の光とは屈折角31°で同軸となるが、このように、出力が最大となるのは光路が共有される場合ではないことがわかる。 (I) With respect to light of wavelength λ 1 (707 nm), the incident angle is fixed at 59 °, which is the angle θ B , and the refraction angle is fixed at 31 °. Next, in this state, the incident angle of the light of wavelength λ 2 (206 nm) is changed and fixed at the position where the sum frequency output becomes maximum. FIG. 3 shows the relationship between the refraction angle of light of wavelength λ 2 (206 nm) and the relative sum frequency output in this case. From the figure, the relative sum frequency output becomes maximum when the refraction angle of the light of wavelength λ 2 is 30.4 °. Thus, it can be seen that there is a maximum value in the sum frequency output, and that the separation angle Δθ is not simply large but an optimum value exists. Therefore, in this way, the optical path of the two incident lights can be spatially separated and defined under simple and optimum conditions. At the same time, the light of wavelength λ 1 and the light of wavelength λ 2 are coaxial at a refraction angle of 31 °, but it can be seen that the output is maximized not when the optical path is shared.

(ii) 波長λ2 (206nm)の光に対し、入射角を角度θB である60.4°、屈折角を29.6°に固定する。この状態で波長λ1 (707nm)の光の入射角を変化させ、和周波出力が最大となる位置で固定する。図4は、この場合の波長λ1 (707nm)の光の屈折角と相対和周波出力との関係を表している。図より、相対和周波出力は、波長λ1 の光の屈折角が29.9°のときに最大となり、この位置で最適化されることがわかる。波長λ1 の光と波長λ2 の光は屈折角29.6°で同軸となるが、この場合も出力が最大となるのは光路が共有される場合ではない。 (Ii) For light with a wavelength λ 2 (206 nm), the incident angle is fixed at 60.4 °, which is the angle θ B , and the refraction angle is fixed at 29.6 °. In this state, the incident angle of the light of wavelength λ 1 (707 nm) is changed and fixed at the position where the sum frequency output becomes maximum. FIG. 4 shows the relationship between the refraction angle of light of wavelength λ 1 (707 nm) and the relative sum frequency output in this case. From the figure, it can be seen that the relative sum frequency output is maximized when the refraction angle of the light of wavelength λ 1 is 29.9 ° and is optimized at this position. The light of wavelength λ 1 and the light of wavelength λ 2 are coaxial at a refraction angle of 29.6 °, but in this case as well, the output is maximized not when the optical path is shared.

なお、これらの例では固定される側の入射角をθB としたが、θB ±5°程度の範囲内において入射角を選ぶようにしてもよい。 In these examples, the incident angle on the fixed side is θ B , but the incident angle may be selected within a range of approximately θ B ± 5 °.

この方法によれば、入射角の角度θB からのずれにより共振器損失が増大したり、2つの入射光のビーム重なりが小さくなるために和周波変換効率が低下したりする虞があるが、入射光の空間分離により波長分離ミラーを共振器内に設けずに済むので共振器内損失を大きく低減することが可能であり、例示したように、却って総合効率を高めることができる。 According to this method, there is a possibility that the resonator loss increases due to the deviation of the incident angle from the angle θ B or the sum frequency conversion efficiency decreases because the beam overlap of the two incident lights decreases. Since it is not necessary to provide a wavelength separation mirror in the resonator due to spatial separation of incident light, it is possible to greatly reduce the intracavity loss, and as illustrated, overall efficiency can be increased.

また、波長や偏光の組み合わせ、および非線形光学素子15の種類等によっては、例えば波長λ1 の光および波長λ2 の光の分散や複屈折が小さい場合や、ビームの発散角が大きい場合などが生じる。このような場合に、本変形例の方法を用いれば、分離角を拡大するように誘導し、入射光である波長λ1 の光および波長λ2 の光を確実に空間分離することができる。 Further, depending on the combination of wavelength and polarization, the type of nonlinear optical element 15, and the like, for example, when the dispersion and birefringence of the light with wavelength λ 1 and the light with wavelength λ 2 are small, or when the divergence angle of the beam is large Arise. In such a case, if the method of the present modification is used, it is possible to guide the light so as to increase the separation angle, and reliably separate the light having the wavelength λ 1 and the light having the wavelength λ 2 as incident light.

更に、このようにして分離角を操作し、例えば波長λ1 の光および波長λ2 の入射角が角度θB より大きくなるようにして分離角を大きく拡げると、非線形光学素子15とミラー33およびミラー41との距離が短くなり、レーザ光発生装置1を小型化することができる。ちなみに、前述のBerkeland らによる装置では、分離角を充分大きくしていないため、損失最小または変換効率最大となるように設計すると非線形光学素子から反射ミラーまでの距離が長くなり、装置が大型化することになる。この装置は、例えば実験室における分光用途の光源としては優れたものであるが、産業用途としては不向きである。 Further, by manipulating the separation angle in this way, for example, when the separation angle is greatly expanded so that the incident angle of the light of wavelength λ 1 and the wavelength λ 2 is larger than the angle θ B , the nonlinear optical element 15 and the mirror 33 and The distance to the mirror 41 is shortened, and the laser beam generator 1 can be reduced in size. By the way, the above-mentioned device by Berkeland et al. Does not have a sufficiently large separation angle, so designing it to minimize loss or maximum conversion efficiency increases the distance from the nonlinear optical element to the reflecting mirror, which increases the size of the device. It will be. This apparatus is excellent as a light source for spectroscopic use in a laboratory, for example, but is not suitable for industrial use.

以下、変形例と合わせて第1の実施の形態を説明する。   Hereinafter, the first embodiment will be described together with modifications.

このようにして、波長λ1 の光および波長λ2 の光の光路を決定したレーザ光発生装置1において、非線形光学素子15を入射面15aと同一面内で移動するように平行移動させる光路調整機構を備えて波長λ1 の光および波長λ2 の光の光路を移動調整するようにすると、光路の相対位置の微調整を簡便に行なうことができる。こうして波長λ1 の光および波長λ2 の光のビーム重なり位置や重なり量を調節するようにすると、出力を加減したり最適化することが可能となり好ましい。このとき、非線形光学素子15が入射面15aおよび出射面15bを垂直とし、レーザ光発生装置1におけるレーザ光の全ての光路が1つの水平面内にあるように構成すると、光路調整が容易となる。 In this way, in the laser beam generator 1 that has determined the optical paths of the light of wavelength λ 1 and the light of wavelength λ 2 , the optical path adjustment is performed to translate the nonlinear optical element 15 so as to move in the same plane as the incident surface 15a. If a mechanism is provided to move and adjust the optical paths of the light of wavelength λ 1 and the light of wavelength λ 2 , fine adjustment of the relative position of the optical path can be easily performed. Thus, it is preferable to adjust the beam overlap position and the overlap amount of the light of wavelength λ 1 and the light of wavelength λ 2 because the output can be adjusted or optimized. At this time, if the nonlinear optical element 15 is configured so that the incident surface 15a and the emitting surface 15b are vertical and all the optical paths of the laser light in the laser light generating device 1 are in one horizontal plane, the optical path adjustment becomes easy.

また、最終的に得られる和周波である波長λ3 の深紫外光は、図2に示したように波長λ1 の光と波長λ2 の光の間より出射される。従って、波長λ3 の光は、プリズム等の波長分離素子を用いることなく、例えばアパーチャー程度の空間分離機能を有する素子のみを併用し、ミラー33およびミラー41のサイズや位置を工夫することによって外部に取り出すことも可能である。波長λ3 に対する波長分離膜の透過率が現状ではあまり大きくないことを考慮すると、有効な出力方法である。 Further, the deep ultraviolet light having the wavelength λ 3 that is finally obtained is emitted from between the light having the wavelength λ 1 and the light having the wavelength λ 2 as shown in FIG. Accordingly, the light of wavelength λ 3 is not used by using a wavelength separation element such as a prism, but only an element having a spatial separation function such as an aperture is used in combination, and the size and position of the mirror 33 and the mirror 41 are devised. It is also possible to take it out. Considering that the transmittance of the wavelength separation film for the wavelength λ 3 is not so large at present, this is an effective output method.

このようなレーザ光発生装置1は、例えば次のように動作する。   Such a laser beam generator 1 operates as follows, for example.

まず、第1のレーザ発生器10より波長λ1 の光が出力される。この波長λ1 の光は、ミラー20,光学素子21を介して波長変換部12の第1の共振器13に入力される。第1の共振器13において、波長λ1 の光はミラー30,31,32,更に非線形光学素子15,ミラー33をこの順に周回し、共振させられる。また、第2のレーザ発生器11より波長λ2 の光が出力される。この波長λ2 の光は、光学素子22,ミラー23、光学素子24を介して波長変換部12の第2の共振器14に入力される。第2の共振器14において、波長λ2 の光は、ミラー40,非線形光学素子15,41,42,およびミラー43をこの順に周回し、共振させられる。このとき、非線形光学素子15において波長λ1 の光と波長λ2 の光による波長λ3 の和周波が発生し、丁度ミラー33とミラー41との間を通過して波長変換部12から出力される。 First, light having a wavelength λ 1 is output from the first laser generator 10. The light having the wavelength λ 1 is input to the first resonator 13 of the wavelength conversion unit 12 via the mirror 20 and the optical element 21. In the first resonator 13, the light of wavelength λ 1 circulates around the mirrors 30, 31, 32, the nonlinear optical element 15, and the mirror 33 in this order and is resonated. In addition, light of wavelength λ 2 is output from the second laser generator 11. The light having the wavelength λ 2 is input to the second resonator 14 of the wavelength conversion unit 12 through the optical element 22, the mirror 23, and the optical element 24. In the second resonator 14, the light of wavelength λ 2 circulates around the mirror 40, the nonlinear optical elements 15, 41, 42, and the mirror 43 in this order and is resonated. At this time, the non-linear optical element 15 generates a sum frequency of the wavelength λ 3 by the light of the wavelength λ 1 and the light of the wavelength λ 2 , and just passes between the mirror 33 and the mirror 41 and is output from the wavelength converter 12. The

和周波出力の波長幅は、例えばスペックル低減、レンズ色収差、干渉計コヒーレンス長の要請によって様々に設定される一方で、第1のレーザ発生器および第2のレーザ発生器の線幅あるいは帯域幅により段階的に分類できる。すなわち、固体レーザにおいて簡単な帯域制限を施した場合では出力光の波長幅は10pm以下、気体レーザの帯域幅に相当する程度に固体または半導体のレーザを挟帯域化した場合では1pm以下、更に、レーザ光を単一周波化した場合では0.1pm以下とすることができる。   While the wavelength width of the sum frequency output is variously set according to demands for speckle reduction, lens chromatic aberration, and interferometer coherence length, for example, the line width or bandwidth of the first laser generator and the second laser generator Can be classified step by step. That is, when a simple band limitation is applied to a solid-state laser, the wavelength width of output light is 10 pm or less, and when a solid or semiconductor laser is sandwiched to an extent corresponding to the bandwidth of a gas laser, 1 pm or less. In the case where the laser beam has a single frequency, it can be 0.1 pm or less.

このように、本実施の形態のレーザ光発生装置1においては、波長λ1 の光と波長λ2 の光が互いに空間的に分離した状態で入射面15aより非線形光学素子15に入射され、波長λ1 、波長λ2 および波長λ3 の光が互いに空間的に分離した状態で出射面15bより出射され、それぞれが異なる光路を有するようにしたので、第1の共振器13および第2の共振器14において従来の共振器に生じていたような光学損失の発生が阻止され、損失低減の結果として高い共振器フィネスが得られ、和周波混合における変換効率が向上する。特に、出力光は出射面15bにおいて既に空間分離されていることから、波長分離ミラーを波長変換部12に設けずに済み、損失を大きく低減することができる。 As described above, in the laser light generation device 1 of the present embodiment, the light with the wavelength λ 1 and the light with the wavelength λ 2 are incident on the nonlinear optical element 15 from the incident surface 15a in a state of being spatially separated from each other. Since light of λ 1 , wavelength λ 2, and wavelength λ 3 is emitted from the emission surface 15b in a state of being spatially separated from each other, and has different optical paths, the first resonator 13 and the second resonance As a result of the loss reduction, high resonator finesse is obtained as a result of the loss reduction, and the conversion efficiency in the sum frequency mixing is improved. In particular, since the output light is already spatially separated on the emission surface 15b, it is not necessary to provide a wavelength separation mirror in the wavelength conversion unit 12, and loss can be greatly reduced.

また、第1の共振器13および第2の共振器14はその内部の光路を共有しないので、一方に損傷が起きても他方において損失が生じることがなく、万が一、共振器13または共振器14に損失が起きても全体として共振器損失が増大することが防止され、より安定的に長時間動作させることができる。なお、従来の共振器において素子15に施されていたような全ての透過光に対する損失低減条件を満足するコーティングは不要であり、こうしたコーティングによる光学損失を省くことができ、簡便に装置を構成することができると共に低コスト化を図ることもできる。   In addition, since the first resonator 13 and the second resonator 14 do not share the optical path in the inside thereof, even if one of them is damaged, no loss occurs in the other, and by any chance the resonator 13 or the resonator 14 Even if a loss occurs, an increase in the resonator loss as a whole is prevented, and the device can be operated more stably for a long time. In addition, the coating which satisfies the loss reduction conditions for all transmitted light as applied to the element 15 in the conventional resonator is unnecessary, the optical loss due to such coating can be omitted, and the apparatus is configured simply. In addition, the cost can be reduced.

更に、入射面15aにおける波長λ1 の光と波長λ2 の光の入射角をそれぞれの波長に応じたブリュースター角θB としたので、非線形光学素子15における反射損失を低減することができる。 Further, since the incident angles of the light of wavelength λ 1 and the light of wavelength λ 2 on the incident surface 15a are set to the Brewster angles θ B corresponding to the respective wavelengths, the reflection loss in the nonlinear optical element 15 can be reduced.

更にまた、第1のレーザ光発振器10および第2のレーザ光発振器11は連続紫外光を発生するようにしたので、このようなレーザ光発生装置1は、パルス光に比べてスペックル除去に有利な照明光となり得、より被検体にダメージを与えにくいものとして、例えば顕微鏡や、半導体等の検査装置として応用することができる。   Furthermore, since the first laser light oscillator 10 and the second laser light oscillator 11 generate continuous ultraviolet light, such a laser light generator 1 is more advantageous for speckle removal than pulse light. For example, it can be applied as an inspection apparatus such as a microscope or a semiconductor because it can be a simple illumination light and is less likely to damage the subject.

第1のレーザ光発生器10および第2のレーザ光発生器11を含んだレーザ光発生装置1を全固体レーザ装置として構成されるようにしたので、例えばガスレーザ装置の場合に必要となる外部冷却水の配管や大容量電源が不要となり、装置規模を小型化することができる。また、全固体レーザ装置であれば、大出力化しても良好な波長特性を安定して得ることが容易となる。なお、第2のレーザ光発生器11は、単一周波数で発振する半導体レーザにより構成されるようにしたので、一定の精度で絶対波長を容易に安定化させることができる。   Since the laser light generator 1 including the first laser light generator 10 and the second laser light generator 11 is configured as an all-solid-state laser device, for example, external cooling required in the case of a gas laser device Water piping and a large-capacity power supply are not required, and the scale of the apparatus can be reduced. Moreover, if it is an all-solid-state laser apparatus, it will become easy to acquire a favorable wavelength characteristic stably, even if it enlarges output. Since the second laser light generator 11 is constituted by a semiconductor laser that oscillates at a single frequency, the absolute wavelength can be easily stabilized with a certain accuracy.

<2.第2の実施の形態>
図5は本発明の第2の実施の形態に係るレーザ光発生装置の概略構成を表している。このレーザ光発生装置2は、第1の実施の形態におけるレーザ光発生装置1において、第2のレーザ光発生器16が第2の共振器14の内部に設けられたものであり、例えば、光や電流等の出力により第2のレーザ光発生器16を励起する手段(図示せず)が接続されている。従って、第1の実施の形態では第2の共振器14は第2のレーザ光発生器11の外部共振器であったが、ここでは、第2の共振器14の内部に第2のレーザ光発生器16というレーザ媒質が組み込まれるように構成されて、両者が一体化している。なお、本実施の形態においては、第1の実施の形態と同一の構成要素については同一の符号を付し、その説明は省略する。
<2. Second Embodiment>
FIG. 5 shows a schematic configuration of a laser beam generator according to the second embodiment of the present invention. This laser beam generator 2 is the same as the laser beam generator 1 according to the first embodiment, except that the second laser beam generator 16 is provided inside the second resonator 14. A means (not shown) for exciting the second laser light generator 16 by an output such as current or current is connected. Therefore, in the first embodiment, the second resonator 14 is an external resonator of the second laser light generator 11, but here, the second laser light is placed inside the second resonator 14. The laser medium called the generator 16 is configured to be incorporated, and both are integrated. In the present embodiment, the same components as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and the description thereof is omitted.

第2のレーザ光発生器16は、第2の共振器14においてミラー42とミラー43との間に設けられ、第2のレーザ光発生器11と同様、例えば650nm以上785nm以下の範囲内の波長(λ2 )の連続紫外光を出力するようになっている。また、その構成材料も第2のレーザ光発生器11と同様であり、例えば、半導体レーザまたはチタンサファイア,アレクサンドライト,Cr:LiCAF,CrLiSAF等の固体レーザなどを用いることができる。なお、この第2のレーザ光発振器16は、光を出力すると同時に出力光を第2の共振器14を通じて増幅するようになっている。 The second laser light generator 16 is provided between the mirror 42 and the mirror 43 in the second resonator 14, and has a wavelength in the range of, for example, 650 nm to 785 nm, similarly to the second laser light generator 11. (Λ 2 ) continuous ultraviolet light is output. The constituent material is the same as that of the second laser light generator 11, and for example, a semiconductor laser or a solid-state laser such as titanium sapphire, alexandrite, Cr: LiCAF, CrLiSAF, or the like can be used. The second laser light oscillator 16 outputs light and amplifies the output light through the second resonator 14 at the same time.

このようなレーザ光発生装置2は、レーザ光発生装置1と同様にして和周波を出力する。このとき、第2の共振器14では、波長λ2 の光がミラー40〜43および第2のレーザ光発生器16で構成される光路を周回し、単に共振する場合よりも大きなゲインを得る。 Such a laser beam generator 2 outputs a sum frequency in the same manner as the laser beam generator 1. At this time, in the second resonator 14, light having a wavelength λ 2 circulates in an optical path constituted by the mirrors 40 to 43 and the second laser light generator 16, and a gain larger than that in the case of simply resonating is obtained.

よって、本実施の形態によれば、波長λ2 の光が、第2のレーザ光発生器16自体により増幅され、大きな光出力で非線形光学素子15に入射するようにしたので、和周波出力を向上させることができる。なお、本実施の形態においても、第1の実施の形態と同様の効果を得ることができる。 Therefore, according to the present embodiment, the light of wavelength λ 2 is amplified by the second laser light generator 16 itself and is incident on the nonlinear optical element 15 with a large light output. Can be improved. In the present embodiment, the same effect as in the first embodiment can be obtained.

<3.第3の実施の形態>
図6は本発明の第3の実施の形態に係るレーザ光発生装置の概略構成を表している。このレーザ光発生装置3は、第1の実施の形態におけるレーザ光発生装置1において、第2の共振器14の内部に増幅器としてレーザ利得媒体44を付加したものである。これは、インジェクションロッキングと呼ばれる1つの増幅方式である。なお、本実施の形態においては、第1の実施の形態と同一の構成要素については同一の符号を付し、その説明は省略する。
<3. Third Embodiment>
FIG. 6 shows a schematic configuration of a laser beam generator according to the third embodiment of the present invention. This laser light generating device 3 is obtained by adding a laser gain medium 44 as an amplifier inside the second resonator 14 in the laser light generating device 1 in the first embodiment. This is one amplification scheme called injection locking. In the present embodiment, the same components as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and the description thereof is omitted.

レーザ利得媒体44は、第2の共振器14においてミラー42とミラー43との間に設けられており、図示しないマスターレーザからの入力を受けて能動的に共振器14のゲインを増大させるようになっている。マスターレーザには小出力の半導体レーザや固体レーザを用いればよく、レーザ利得媒体44としては、例えば、半導体増幅器または、チタンサファイア結晶,アレクサンドライト結晶,Cr:LiCAF結晶,Cr:LiSAF結晶等の固体利得媒質などを用いることができる。このうち固体利得媒質を用いる場合には、レーザ利得媒体44は半導体レーザーまたは半導体レーザー励起固体レーザで励起されるようにすると、サイズの小型化や高効率化のうえで望ましい。   The laser gain medium 44 is provided between the mirror 42 and the mirror 43 in the second resonator 14 so as to actively increase the gain of the resonator 14 in response to an input from a master laser (not shown). It has become. As the master laser, a low-power semiconductor laser or solid-state laser may be used. As the laser gain medium 44, for example, a semiconductor amplifier or a solid such as titanium sapphire crystal, alexandrite crystal, Cr: LiCAF crystal, Cr: LiSAF crystal, etc. A gain medium or the like can be used. Of these, when a solid gain medium is used, the laser gain medium 44 is preferably pumped by a semiconductor laser or a semiconductor laser pumped solid laser in terms of size reduction and high efficiency.

このようなレーザ光発生装置3は、レーザ光発生装置1と同様にして和周波を出力する。このとき、第2の共振器14では、波長λ2 の光がミラー40〜43およびレーザ利得媒体44で構成される光路を周回し、単に共振する場合よりも大きなゲインを得る。 Such a laser beam generator 3 outputs a sum frequency in the same manner as the laser beam generator 1. At this time, in the second resonator 14, light having a wavelength λ 2 circulates in an optical path constituted by the mirrors 40 to 43 and the laser gain medium 44, and a gain larger than that in the case of simply resonating is obtained.

従って、本実施の形態によれば、波長λ2 の光がレーザ利得媒体44で増幅された大きな光出力で非線形光学素子15に入射するようにしたので、和周波出力を向上させることができる。なお、本実施の形態においても、第1の実施の形態と同様の効果を得ることができる。 Therefore, according to the present embodiment, the light having the wavelength λ 2 is incident on the nonlinear optical element 15 with a large light output amplified by the laser gain medium 44, so that the sum frequency output can be improved. In the present embodiment, the same effect as in the first embodiment can be obtained.

<4.第4の実施の形態>
図7は本発明の第4の実施の形態に係る紫外線顕微鏡の概略構成を表している。この紫外線顕微鏡100は、レーザ光発生装置101、光学系102、ビームスプリッタ103、対物レンズ104、被検物105を載置するためのステージ106、結像光学系107、画像取得部108、画像変換部109および画像表示部110を備えている。ここで、レーザ光発生装置101は、本発明のレーザ光発生装置であり、例えば、上記第1〜第3の実施の形態のいずれかによって構成されている。また、光学系102は、ビーム整形、スペックル低減、一様ビーム形成、ビーム偏向、偏光制御、光量調節、絞りなどの機能を有するものであり、レンズ、ミラー、プリズム等の光学素子を含んで構成されている。更に、ビームスプリッタ103は、偏光ビームスプリッタとしてもよく、その場合にはビームスプリッタ103と対物レンズ104とのに間に1/4波長板を入れるようにしてもよい。なお、被検物105としては、例えば、半導体基板、半導体集積回路、光学素子、液晶基板、液晶機能素子、ディスクヘッド、生物体、その他紫外線の一部を反射・散乱する微細構造を有する物体などを挙げることができる。
<4. Fourth Embodiment>
FIG. 7 shows a schematic configuration of an ultraviolet microscope according to the fourth embodiment of the present invention. The ultraviolet microscope 100 includes a laser beam generator 101, an optical system 102, a beam splitter 103, an objective lens 104, a stage 106 for placing a test object 105, an imaging optical system 107, an image acquisition unit 108, an image conversion unit. A unit 109 and an image display unit 110 are provided. Here, the laser beam generator 101 is the laser beam generator of the present invention, and is configured by any one of the first to third embodiments, for example. The optical system 102 has functions such as beam shaping, speckle reduction, uniform beam formation, beam deflection, polarization control, light amount adjustment, and diaphragm, and includes optical elements such as lenses, mirrors, and prisms. It is configured. Further, the beam splitter 103 may be a polarizing beam splitter. In that case, a quarter wavelength plate may be inserted between the beam splitter 103 and the objective lens 104. Examples of the test object 105 include a semiconductor substrate, a semiconductor integrated circuit, an optical element, a liquid crystal substrate, a liquid crystal functional element, a disk head, a living body, and other objects having a fine structure that reflects and scatters part of ultraviolet rays. Can be mentioned.

画像取得部108は、結像光学系107において得られる画像の情報を光信号として取得し、取得した画像情報をアナログ信号に変換・出力するものであり、例えば、フォトダイオードアレイにCCD(Charge Coupled Device;電荷結合素子)を接続したCCD撮像素子や、撮像管等により構成されている。また、画像変換部109は、画像取得部108から入力されるアナログ信号をディジタル信号に変換・出力するものであり、A/D変換器等により構成されている。更に、画像表示部110は、画像変換部109から入力されるディジタル信号から画像を再生し表示するものであり、各種のディスプレイ装置により構成することができる。なお、この紫外線検査装置100には、図示しないが被検物の搬送装置、シールド、オートフォーカス装置、除震装置等が付設されている。   The image acquisition unit 108 acquires information on an image obtained in the imaging optical system 107 as an optical signal, converts the acquired image information into an analog signal, and outputs it. For example, a CCD (Charge Coupled) is connected to a photodiode array. Device (Charge Coupled Device) is connected to a CCD imaging device, an imaging tube, or the like. The image conversion unit 109 converts and outputs an analog signal input from the image acquisition unit 108 into a digital signal, and includes an A / D converter or the like. Further, the image display unit 110 reproduces and displays an image from the digital signal input from the image conversion unit 109, and can be configured by various display devices. Although not shown, the ultraviolet ray inspection apparatus 100 is provided with a specimen transport device, a shield, an autofocus device, a vibration isolator, and the like.

このような紫外線検査装置100は、次のように動作する。すなわち、レーザ光発生装置101より紫外光が出力され、この光に対し、光学系102において空間均一化、整形、時間均一化、光量調整が行なわれる。続いて、光がビームスプリッタ103に入射すると、このうちの一部が対物レンズ104に入射し、ステージ106に載置された被検物105に照射される。   Such an ultraviolet ray inspection apparatus 100 operates as follows. That is, ultraviolet light is output from the laser light generation device 101, and the optical system 102 performs space uniformization, shaping, time uniformization, and light amount adjustment on the light. Subsequently, when light enters the beam splitter 103, a part of the light enters the objective lens 104 and is irradiated to the test object 105 placed on the stage 106.

次いで、被検物105から対物レンズ104を透過してビームスプリッタ103に到達した光は、更に結像光学系107を経て画像取得装置108に投影される。ここでは、図示しないオートフォーカス機構により、対物レンズ104と被検物105の距離を変化させ、画像取得部108において得られる画像が被検物105を拡大した共役像となるように調節される。オートフォーカスの方法には、画像の分解能の変化を利用したもの、別光源の光を照射してこのビームの焦点位置を合わせるもの、センサーと被検物のつくる空間の静電容量の変化を検出するものなど、いろいろなタイプが使用可能である。   Next, the light transmitted from the test object 105 through the objective lens 104 and reaching the beam splitter 103 is further projected onto the image acquisition device 108 via the imaging optical system 107. Here, the distance between the objective lens 104 and the test object 105 is changed by an autofocus mechanism (not shown), and the image obtained by the image acquisition unit 108 is adjusted to be a conjugate image obtained by enlarging the test object 105. Autofocus methods use changes in image resolution, irradiate light from another light source to adjust the focal position of this beam, and detect changes in the capacitance of the space created by the sensor and the test object Various types can be used, such as what to do.

更に、画像取得部108では、結像光学系107から投影された光が信号として取得され、これがアナログ信号に変換され、画像変換部109に出力される。画像変換部109では、信号のA/D変換が行なわれると共に、画像の拡大・縮小や、ユーザー用機能の付加、データ保存用のフォーマット変換等が行なわれ、ディジタル化された信号は画像表示部110に送られる。最後に、画像表示部110では、画像変換部109から入力されるディジタル信号から画像が再生され表示される。   Further, in the image acquisition unit 108, the light projected from the imaging optical system 107 is acquired as a signal, converted into an analog signal, and output to the image conversion unit 109. The image conversion unit 109 performs A / D conversion of the signal, enlarges / reduces the image, adds a user function, converts the format for saving the data, and the like. 110. Finally, the image display unit 110 reproduces and displays an image from the digital signal input from the image conversion unit 109.

このような紫外線顕微鏡100によれば、光源であるレーザー光発生装置101に本発明のレーザ光発生装置を用いて、200nm程度以下の連続波を出力するようにしたので、従来の連続波光源に比してより高解像度の画像を取得・解析することができる。また、この紫外線顕微鏡100の出力が連続波であることから、スペックル低減と共に同程度の波長のパルス光源に比べて光学系や被検物に与える損傷を抑制することができる。従って、例えば、半導体ウェーハ、半導体パターン、液晶パターン、レチクル、生体等の蛍光発生物などに代表される従来では高分解能の測定法によれば非破壊検査ができなかった分野においても、非破壊検査が可能となり、被検物の対象を拡げることができる。更にまた、レーザー光発生装置101に本発明のレーザ光発生装置を用いていることから、真空を要しないためにスループットを高くすることができる。   According to such an ultraviolet microscope 100, a continuous wave of about 200 nm or less is output to the laser light generator 101 of the present invention by using the laser light generator of the present invention. Compared to this, it is possible to acquire and analyze a higher resolution image. In addition, since the output of the ultraviolet microscope 100 is a continuous wave, it is possible to suppress damage to the optical system and the test object as compared with the pulse light source having the same wavelength as the speckle reduction. Therefore, for example, non-destructive inspection can be performed even in a field where conventional non-destructive inspection cannot be performed by a high-resolution measurement method typified by semiconductor wafers, semiconductor patterns, liquid crystal patterns, reticles, fluorescent substances such as living bodies, etc. Can be expanded, and the object of the test object can be expanded. Furthermore, since the laser light generation device of the present invention is used for the laser light generation device 101, a vacuum is not required, so that the throughput can be increased.

なお、画像変換部109および画像表示部110は、例えばパーソナルコンピュータ等のコンピュータを含んで構成することができ、画像変換部109もしくは画像表示部110に画像解析、画像データ分析などのためのアプリケーションプログラムを搭載することができる。また、紫外線顕微鏡100に対してデータ入出力装置、ユーザインターフェイス、或いは特殊フィルタ等を必要に応じて付設することも可能である。このように、画像の加工をはじめとする各種の機能を付加することができる。   Note that the image conversion unit 109 and the image display unit 110 can be configured to include a computer such as a personal computer, for example, and the image conversion unit 109 or the image display unit 110 has an application program for image analysis, image data analysis, and the like. Can be installed. In addition, a data input / output device, a user interface, a special filter, or the like can be attached to the ultraviolet microscope 100 as necessary. In this way, various functions including image processing can be added.

また、これにより、紫外線顕微鏡としてのみならず、半導体検査装置、マスク検査装置、液晶検査装置およびディスクヘッド検査装置といった各種の検査装置を構成することができる。この紫外線顕微鏡100に、例えば、ウエハ搬送機構、データ入出力部、データ保存部、および欠陥分類プログラム、統計ソフトなどを付加することにより、半導体ウェーハーや半導体集積回路を検査する半導体検査装置とすることができる。また、被検物105をマスク或いはレチクルとすることでマスク検査装置とすることができ、ハードディスクの基板やヘッドのギャップなどの微細構造を検査できるディスクヘッド検査装置として構成することも可能である。更に、紫外線の吸収特性を利用すれば、可視光を透過してしまい通常見ることができない構造を観察することができるので、例えば液晶などの欠陥や構造を判定することができる。いずれの検査装置においても、被検物への損傷やスペックル等によるノイズを低減して、高い分解能で検査することができる。   Accordingly, various inspection apparatuses such as a semiconductor inspection apparatus, a mask inspection apparatus, a liquid crystal inspection apparatus, and a disk head inspection apparatus can be configured as well as an ultraviolet microscope. For example, by adding a wafer transport mechanism, a data input / output unit, a data storage unit, a defect classification program, statistical software, and the like to the ultraviolet microscope 100, a semiconductor inspection apparatus for inspecting a semiconductor wafer or a semiconductor integrated circuit is obtained. Can do. Further, a mask inspection apparatus can be formed by using the test object 105 as a mask or a reticle, and can also be configured as a disk head inspection apparatus capable of inspecting a fine structure such as a hard disk substrate or a head gap. Furthermore, if the absorption characteristic of ultraviolet rays is used, a structure that transmits visible light and cannot be seen normally can be observed. For example, defects and structures such as liquid crystal can be determined. In any of the inspection apparatuses, it is possible to inspect with high resolution by reducing noise due to damage to the test object or speckles.

また、従来顕微鏡に用いられてきた波長域の光では吸収の少ない物質においても、200nm以下の波長を吸収することが多い。従って、このような吸収により物質に蓄えられたエネルギーが、欠陥や不純物または意図的に添加したマーカー等から発生する蛍光として再放出されるときに、この蛍光を検出するようにすれば、紫外線顕微鏡100を物質の純度や不純物の種類、濃度、活性状態などを検査する蛍光顕微鏡として用いることができる。   In addition, even a substance that absorbs less light in the wavelength range conventionally used in microscopes often absorbs wavelengths of 200 nm or less. Therefore, when the energy stored in the substance by such absorption is re-emitted as fluorescence generated from defects, impurities, intentionally added markers, etc., if this fluorescence is detected, an ultraviolet microscope 100 can be used as a fluorescence microscope for inspecting the purity of a substance, the type, concentration, and active state of impurities.

<5.第5の実施の形態>
図8は本発明の第5の実施の形態に係るディスクマスタリング装置200の概略構成を表している。このディスクマスタリング装置200は、レーザ光発生装置201、光学系202、ミラー203、対物レンズ204、マスターディスク205、ステ−ジ206を備えている。ここで、レーザ光発生装置201は、本発明のレーザ光発生装置であり、例えば、上記第1〜第3の実施の形態のいずれかによって構成されている。また、光学系202は、ビーム整形、光量調整装置、多ビーム発生装置、変調器、ビーム偏向器、偏光制御、絞りなどの機能を有するものであり、レンズ、ミラー、プリズム等の光学素子を含んで構成されている。更に、ミラー203は、レーザ光発生装置201からのレーザ光の進行方向をステージ206の方向へ調整するためのものであり、ビームスプリッタであってもよい。また、ステージ207は、マスターディスク205を載置するものであり、回転および並進する機能を備えている。なお、このディスクマスタリング装置200には図示しないデータ再生装置、フォーマットエンコーダ、ステージ制御装置、除震装置等が付設されている。
<5. Fifth embodiment>
FIG. 8 shows a schematic configuration of a disk mastering apparatus 200 according to the fifth embodiment of the present invention. The disk mastering apparatus 200 includes a laser light generator 201, an optical system 202, a mirror 203, an objective lens 204, a master disk 205, and a stage 206. Here, the laser beam generator 201 is the laser beam generator of the present invention, and is configured by any one of the first to third embodiments, for example. The optical system 202 has functions such as beam shaping, a light amount adjustment device, a multi-beam generation device, a modulator, a beam deflector, polarization control, and an aperture, and includes optical elements such as lenses, mirrors, and prisms. It consists of Furthermore, the mirror 203 is for adjusting the traveling direction of the laser beam from the laser beam generator 201 in the direction of the stage 206, and may be a beam splitter. The stage 207 is for mounting the master disk 205 and has a function of rotating and translating. The disk mastering device 200 is provided with a data reproducing device, a format encoder, a stage control device, a vibration isolator and the like (not shown).

このディスクマスタリング装置200では、レーザ光発生装置201から出力されたレーザ光が、光学系202、ミラー203および対物レンズ204を介してステ−ジ206の上のマスターディスク205に照射されて、マスターディスク205の表面の所望の位置にスポットが形成される。このとき、マスターディスク205の盤面上に形成されるスポットの直径dはおおよそ、
d=1.22λ/NA
(λはレーザ光の波長、NAは開口数)
で与えられるので、同じ開口数のレンズを使用した場合に、従来入手できた連続波レーザーの波長である266nmのレーザーに比べて3割程度小さいスポットが形成される。これによれば、理論的には約2倍の記録密度の向上を見込むことができる。
In this disk mastering apparatus 200, the laser light output from the laser light generating apparatus 201 is irradiated onto the master disk 205 on the stage 206 via the optical system 202, the mirror 203, and the objective lens 204, and the master disk A spot is formed at a desired position on the surface of 205. At this time, the diameter d of the spot formed on the surface of the master disk 205 is approximately
d = 1.22λ / NA
(Λ is the wavelength of the laser beam, NA is the numerical aperture)
Therefore, when lenses having the same numerical aperture are used, a spot that is about 30% smaller than a 266 nm laser, which is a wavelength of a conventionally available continuous wave laser, is formed. According to this, it is theoretically possible to expect an improvement in recording density of about twice.

このように、ディスクマスタリング装置200によれば、光源であるレーザ光発生装置201に本発明のレーザ光発生装置を用い、波長が200nm程度以下の連続波を出力するようにしたので、従来に比べて2割以上小さなスポットを形成することが可能である。よって、高い記録密度のマスターディスクを作製することができる。   Thus, according to the disk mastering apparatus 200, the laser light generating apparatus 201 of the present invention is used as the light source laser light generating apparatus 201 and a continuous wave with a wavelength of about 200 nm or less is output. Thus, it is possible to form a spot that is 20% or smaller. Therefore, a master disk having a high recording density can be produced.

以上、実施の形態を挙げて本発明を説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、種々変形可能である。例えば、上記第1の実施の形態では、第1の共振器13は図1に示したようにミラー30〜33により構成されるようにしたが、共振器13の構造はこの限りではなく、適宜変更可能である。すなわち、ミラーの数は4枚に限定される必要はなく、例えばプリズム等のミラー以外の素子を用いるようにしてもよく、このような光学素子を用いることによりミラーの数を1〜3枚あるいは4枚以上としてもよい。また、ここでは波長λ1 の光がミラー30から第1の共振器13に入射するようにしたが、ミラー32を入射ミラーとして、ミラー32側から入射させることも可能である。また、第2の共振器14においても同様に、その構成は適宜変更可能であり、ミラー40を入射ミラーにせず、他のミラー、例えばミラー42を入射ミラーとしてもよい。なお、共振器の構成については、第2および第3の実施の形態においても第1の実施の形態と同様であるので、同様な変更が可能である。 The present invention has been described with reference to the embodiment. However, the present invention is not limited to the above embodiment, and various modifications can be made. For example, in the first embodiment, the first resonator 13 is configured by the mirrors 30 to 33 as shown in FIG. 1, but the structure of the resonator 13 is not limited to this, and may be appropriately selected. It can be changed. That is, the number of mirrors need not be limited to four. For example, an element other than a mirror such as a prism may be used. By using such an optical element, the number of mirrors may be one to three. It is good also as four or more sheets. Here, the light of wavelength λ 1 is made incident on the first resonator 13 from the mirror 30, but it is also possible to make the light enter from the mirror 32 side using the mirror 32 as the incident mirror. Similarly, the configuration of the second resonator 14 can be changed as appropriate, and the mirror 40 may not be the incident mirror, but another mirror, for example, the mirror 42 may be the incident mirror. Note that the configuration of the resonator is the same as that of the first embodiment in the second and third embodiments, and the same change can be made.

1,2,3,101,201…レーザ光発生装置、10…第1のレーザ発生器、11,16…第2のレーザ発生器、12…波長変換部、13…第1の共振器、14…第2の共振器、15…非線形光学素子、20,23,30〜33,40〜43…ミラー、21,22,24…光学素子、44…レーザ利得媒体、102,202…光学系、103…ビームスプリッタ、104,204…対物レンズ、105…被検物、106,206…ステージ、107…結像光学系、108…画像取得装置、109…画像変換部、110…画像表示部、203…ミラー、205…マスターディスク   1, 2, 3, 101, 201... Laser light generator, 10... First laser generator, 11, 16... Second laser generator, 12... Wavelength converter, 13. DESCRIPTION OF SYMBOLS 2nd resonator, 15 ... Nonlinear optical element, 20, 23, 30-33, 40-43 ... Mirror, 21, 22, 24 ... Optical element, 44 ... Laser gain medium, 102, 202 ... Optical system, 103 DESCRIPTION OF SYMBOLS ... Beam splitter, 104, 204 ... Objective lens, 105 ... Test object, 106, 206 ... Stage, 107 ... Imaging optical system, 108 ... Image acquisition apparatus, 109 ... Image conversion part, 110 ... Image display part, 203 ... Mirror, 205 ... Master disk

Claims (19)

第1の波長のレーザ光を出力する第1のレーザ発生器および前記第1の波長のレーザ光を共振させる第1の共振器と、
第2の波長のレーザ光を出力する第2のレーザ発生器および前記第2の波長のレーザ光を共振させる第2の共振器と、
前記第1の共振器および前記第2の共振器に含まれるように配置され、かつ、両端に前記第1の波長のレーザ光および前記第2の波長のレーザ光が入射する入射面と出射する出射面とをそれぞれ有する非線形光学素子とを備え、
前記非線形光学素子の内部を通過する前記第1の波長のレーザ光と前記第2の波長のレーザ光との和周波混合により第3の波長のレーザ光を発生するレーザ光発生装置において、
前記第1の波長のレーザ光および前記第2の波長のレーザ光の前記非線形光学素子に対する入射角は波長に対応したブリュースター角であり、かつ、前記非線形光学素子は、タイプ1の位相整合を行なうものであり、
前記第1の波長のレーザ光および前記第2の波長のレーザ光はビーム中心軸が互いに空間的に分離した状態で前記入射面より前記非線形光学素子に入射され、
前記第1の波長のレーザ光、前記第2の波長のレーザ光および前記第3の波長のレーザ光はビーム中心軸が互いに空間的に分離した状態で前記出射面より出射されて、それぞれが異なる光路を有し、かつ、
前記非線形光学素子の内部において、前記第1の波長のレーザ光および前記第2の波長のレーザ光は部分的にビームが重なるが、光軸は共有せず、
前記第1の波長のレーザ光および前記第2の波長のレーザ光の前記非線形光学素子に対する入射角の差(分離角Δθ)は、前記非線形光学素子に対する前記第1の波長のレーザ光および前記第2の波長のレーザ光の入射光のビーム発散角(φ)の2倍よりも大きい、
レーザ光発生装置。
A first laser generator that outputs laser light of a first wavelength, and a first resonator that resonates the laser light of the first wavelength;
A second laser generator that outputs laser light of a second wavelength, and a second resonator that resonates the laser light of the second wavelength;
It is arranged so as to be included in the first resonator and the second resonator, and is emitted from an incident surface on which laser light of the first wavelength and laser light of the second wavelength are incident on both ends. A nonlinear optical element each having an exit surface,
In the laser beam generator for generating the laser beam of the third wavelength by the sum frequency mixing of the laser beam of the first wavelength and the laser beam of the second wavelength that passes through the inside of the nonlinear optical element,
The incident angles of the laser light of the first wavelength and the laser light of the second wavelength with respect to the nonlinear optical element are Brewster angles corresponding to wavelengths, and the nonlinear optical element has a type 1 phase matching. To do,
The laser light of the first wavelength and the laser light of the second wavelength are incident on the nonlinear optical element from the incident surface in a state where beam central axes are spatially separated from each other,
The laser light of the first wavelength, the laser light of the second wavelength, and the laser light of the third wavelength are emitted from the emission surface with the beam center axes spatially separated from each other, and are different from each other. Has an optical path, and
Inside the nonlinear optical element, the laser light of the first wavelength and the laser light of the second wavelength partially overlap, but the optical axis is not shared,
The difference in the incident angle (separation angle Δθ) of the laser light of the first wavelength and the laser light of the second wavelength with respect to the nonlinear optical element is the laser light of the first wavelength and the first wavelength of the nonlinear optical element. Greater than twice the beam divergence angle (φ) of the incident light of the laser light having the wavelength of 2,
Laser light generator.
前記非線形光学素子を前記入射面と同一面内で移動するように平行移動させ、前記第1の波長のレーザ光および前記第2の波長のレーザ光の光路を移動調整する光路調整手段を備えた
請求項1記載のレーザ光発生装置。
Optical path adjustment means for moving and adjusting the optical paths of the laser light of the first wavelength and the laser light of the second wavelength by translating the nonlinear optical element so as to move in the same plane as the incident surface. The laser beam generator according to claim 1.
前記非線形光学素子は、BBO(β−BaB2 4 ),CLBO(CsLiB6 10),SBBO(Sr2 Be2 2 7 ),KBBF(KBe2 BO3 2 )のうちのいずれかの結晶により構成されている
請求項1記載のレーザ光発生装置。
The nonlinear optical element is any one of BBO (β-BaB 2 O 4 ), CLBO (CsLiB 6 O 10 ), SBBO (Sr 2 Be 2 B 2 O 7 ), and KBBF (KBe 2 BO 3 F 2 ). The laser beam generator according to claim 1, comprising:
前記非線形光学素子は、直接引上法により製造されたBBO(β−BaB2 4 )結晶である
請求項3記載のレーザ光発生装置。
The laser beam generator according to claim 3, wherein the nonlinear optical element is a BBO (β-BaB 2 O 4 ) crystal manufactured by a direct pulling method.
前記第1の共振器または前記第2の共振器の少なくとも1方の共振器フィネスが100以上である
請求項1記載のレーザ光発生装置。
The laser light generator according to claim 1, wherein a resonator finesse of at least one of the first resonator and the second resonator is 100 or more.
前記第1の共振器は外部共振器であり、前記第2の共振器はレーザ増幅器または外部共振器である
請求項1記載のレーザ光発生装置。
The laser light generator according to claim 1, wherein the first resonator is an external resonator, and the second resonator is a laser amplifier or an external resonator.
前記第2のレーザ発生器は、半導体レーザまたは半導体レーザ励起固体レーザである
請求項1記載のレーザ光発生装置。
The laser light generator according to claim 1, wherein the second laser generator is a semiconductor laser or a semiconductor laser excitation solid-state laser.
前記第2のレーザ発生器は、単一周波数で発振または共振する
請求項1記載のレーザ光発生装置。
The laser beam generator according to claim 1, wherein the second laser generator oscillates or resonates at a single frequency.
前記第2のレーザ発生器は、チタンサファイアレーザ、アレクサンドライトレーザ、Cr:LiCAFレーザ、Cr:LiSAFレーザのいずれかである
請求項7記載のレーザ光発生装置。
The laser beam generator according to claim 7, wherein the second laser generator is any one of a titanium sapphire laser, an alexandrite laser, a Cr: LiCAF laser, and a Cr: LiSAF laser.
前記第2の共振器が半導体増幅器または固体レーザ増幅器である
請求項1記載のレーザ光発生装置。
The laser beam generator according to claim 1, wherein the second resonator is a semiconductor amplifier or a solid-state laser amplifier.
前記第2の共振器は前記半導体レーザをマスターレーザとしたインジェクションロッキングにより前記第2の波長のレーザ光を増幅する
請求項10記載のレーザ光発生装置。
The laser beam generator according to claim 10, wherein the second resonator amplifies the laser beam of the second wavelength by injection locking using the semiconductor laser as a master laser.
前記固体レーザ増幅器は、チタンサファイア結晶、アレクサンドライト結晶、Cr:LiCAF結晶、Cr:LiSAF結晶のいずれかにより構成されている
請求項10記載のレーザ光発生装置。
The laser beam generator according to claim 10, wherein the solid-state laser amplifier is composed of any one of a titanium sapphire crystal, an alexandrite crystal, a Cr: LiCAF crystal, and a Cr: LiSAF crystal.
前記固体レーザ増幅器は、半導体レーザまたは半導体レーザ励起固体レーザによって励起される
請求項10記載のレーザ光発生装置。
The laser beam generator according to claim 10, wherein the solid-state laser amplifier is excited by a semiconductor laser or a semiconductor laser-pumped solid-state laser.
前記第1の共振器および前記第2の共振器の少なくとも一方は、その光路長を可変とする光路長調節手段を含んで構成されている
請求項1記載のレーザ光発生装置。
2. The laser beam generator according to claim 1, wherein at least one of the first resonator and the second resonator includes an optical path length adjusting unit that makes an optical path length variable. 3.
前記光路長調節手段は、PZT素子、VCM素子および電気光学結晶のいずれかよりなる
請求項14記載のレーザ光発生装置。
The laser beam generator according to claim 14, wherein the optical path length adjusting unit includes any one of a PZT element, a VCM element, and an electro-optic crystal.
前記第1の共振器および前記第2の共振器の少なくとも一方は、前記光路長調節手段を用いたFMサイドバンド法または偏光法により共振状態を保持する
請求項14記載のレーザ光発生装置。
The laser beam generator according to claim 14, wherein at least one of the first resonator and the second resonator maintains a resonance state by an FM sideband method or a polarization method using the optical path length adjusting means.
前記第1の波長が250nm以上275nm以下の範囲内であり、前記第2の波長が650nm以上785nm以下の範囲内であり、かつ、前記第3の波長が180nm以上204nm以下の範囲内である
請求項1記載のレーザ光発生装置。
The first wavelength is in a range from 250 nm to 275 nm, the second wavelength is in a range from 650 nm to 785 nm, and the third wavelength is in a range from 180 nm to 204 nm. Item 2. A laser beam generator according to Item 1.
前記第3の波長のレーザ光の波長幅は10pm以下である
請求項1記載のレーザ光発生装置。
The laser beam generator according to claim 1, wherein the wavelength width of the third wavelength laser beam is 10 pm or less.
第1の波長のレーザ光を出力する第1のレーザ発生器および前記第1の波長のレーザ光を共振させる第1の共振器と、第2の波長のレーザ光を出力する第2のレーザ発生器および前記第2の波長のレーザ光を共振させる第2の共振器と、前記第1の共振器および前記第2の共振器に含まれるように配置され、かつ、両端に前記第1の波長のレーザ光および前記第2の波長のレーザ光が入射する入射面と出射する出射面とをそれぞれ有する非線形光学素子とを含むレーザ発生手段を備え、
前記レーザ発生手段から前記非線形光学素子の内部を通過する前記第1の波長のレーザ光と前記第2の波長のレーザ光との和周波混合により得られた第3の波長のレーザ光を発生する光学装置において、
前記第1の波長のレーザ光および前記第2の波長のレーザ光の前記非線形光学素子に対する入射角は波長に対応したブリュースター角であり、前記非線形光学素子は、タイプ1の位相整合を行なうものであり、
前記第1の波長のレーザ光および前記第2の波長のレーザ光はビーム中心軸が互いに空間的に分離した状態で前記入射面より前記非線形光学素子に入射され、
前記第1の波長のレーザ光、前記第2の波長のレーザ光および前記第3の波長のレーザ光はビーム中心軸が互いに空間的に分離した状態で前記出射面より出射されて、それぞれが異なる光路を有し、かつ、
前記非線形光学素子の内部において、前記第1の波長のレーザ光および前記第2の波長のレーザ光は部分的にビームが重なるが、光軸は共有せず、
前記第1の波長のレーザ光および前記第2の波長のレーザ光の前記非線形光学素子に対する入射角の差(分離角Δθ)は、前記非線形光学素子に対する前記第1の波長のレーザ光および前記第2の波長のレーザ光の入射光のビーム発散角(φ)の2倍よりも大きい、
光学装置。
A first laser generator that outputs laser light of a first wavelength, a first resonator that resonates the laser light of the first wavelength, and a second laser generator that outputs laser light of a second wavelength And a second resonator that resonates the laser light of the second wavelength, and the first resonator and the second resonator are disposed so as to be included in the first resonator, and the first wavelength is provided at both ends. A laser generating means including a nonlinear optical element each having an incident surface on which the laser beam of the second wavelength and a laser beam of the second wavelength are incident and an emitting surface that emits the laser beam,
A laser beam having a third wavelength obtained by sum frequency mixing of the laser beam having the first wavelength and the laser beam having the second wavelength that passes through the inside of the nonlinear optical element is generated from the laser generating unit. In an optical device,
The incident angles of the laser light of the first wavelength and the laser light of the second wavelength with respect to the nonlinear optical element are Brewster angles corresponding to the wavelengths, and the nonlinear optical element performs type 1 phase matching. And
The laser light of the first wavelength and the laser light of the second wavelength are incident on the nonlinear optical element from the incident surface in a state where beam central axes are spatially separated from each other,
The laser light of the first wavelength, the laser light of the second wavelength, and the laser light of the third wavelength are emitted from the emission surface with the beam center axes spatially separated from each other, and are different from each other. Has an optical path, and
Inside the nonlinear optical element, the laser light of the first wavelength and the laser light of the second wavelength partially overlap, but the optical axis is not shared,
The difference in the incident angle (separation angle Δθ) of the laser light of the first wavelength and the laser light of the second wavelength with respect to the nonlinear optical element is the laser light of the first wavelength and the first wavelength of the nonlinear optical element. Greater than twice the beam divergence angle (φ) of the incident light of the laser light having the wavelength of 2,
Optical device.
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